張廣軍

(江蘇晉煤恒盛化工股份有限公司)

煤氣機(jī)羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造的節(jié)電率分析

張廣軍

(江蘇晉煤恒盛化工股份有限公司)

結(jié)合調(diào)節(jié)閥計(jì)算和校核的相關(guān)知識(shí)，對(duì)煤氣機(jī)羅茨風(fēng)機(jī)的變頻改造進(jìn)行了節(jié)能分析，并對(duì)比了變頻改造前后輸入側(cè)電氣的計(jì)量結(jié)果，表明進(jìn)行變頻改造后，羅茨風(fēng)機(jī)的節(jié)電率大幅提高。

羅茨風(fēng)機(jī) 煤氣機(jī) 節(jié)電率 變頻改造 節(jié)能分析

小氮肥行業(yè)固定床間歇式制氣工藝脫硫工段的煤氣機(jī)一般采用羅茨風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)壓力和流量調(diào)節(jié)大多為旁路副線調(diào)節(jié)方式，也就是說，已經(jīng)被煤氣機(jī)做功升壓的煤氣通過副線調(diào)節(jié)閥降壓回到煤氣機(jī)入口，這勢(shì)必造成電能浪費(fèi)，因此需對(duì)煤氣機(jī)的羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。

生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性一般有3種類型：恒轉(zhuǎn)矩，恒功率，離心式風(fēng)機(jī)和水泵(二次型負(fù)載[1])。風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的流量與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的3次方成正比，因此節(jié)能空間大，適用于變頻節(jié)能技術(shù)[1～3]。

羅茨風(fēng)機(jī)是一種定容式風(fēng)機(jī)，風(fēng)量基本不受風(fēng)壓變化的影響，其最大特點(diǎn)是容積回轉(zhuǎn)特性，可近似認(rèn)為風(fēng)機(jī)所能達(dá)到的最大壓力與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，屬于恒壓設(shè)備。羅茨風(fēng)機(jī)流量與轉(zhuǎn)速成正比，符合恒轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性，這使得羅茨風(fēng)機(jī)作為穩(wěn)定下一工段往復(fù)式壓縮機(jī)的入口壓力設(shè)備時(shí)，優(yōu)于離心式風(fēng)機(jī)。基于此，為避免電能浪費(fèi)，筆者通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算，說明羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造的必要性和經(jīng)濟(jì)性。

1 煤氣機(jī)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)

煤氣機(jī)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下：

型號(hào) YAKK560-10

功率 560kW

電壓 10kV

定子電流 45.1A

轉(zhuǎn)速 594r/min

接法 Y形

功率因數(shù) 0.75

由于生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整，負(fù)荷降低導(dǎo)致電機(jī)的有功功率一度運(yùn)行在380kW，此時(shí)無(wú)功功率為411kVar，功率因數(shù)cosΦ=0.68。因此，為適應(yīng)負(fù)荷調(diào)整的要求，對(duì)煤氣機(jī)的羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，并進(jìn)行論證分析。

2 煤氣機(jī)變頻改造的計(jì)算分析

2.1 節(jié)電率計(jì)算

文獻(xiàn)[4]對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)的變頻改造進(jìn)行了節(jié)能分析，節(jié)電率α的計(jì)算式為：

α=1-Dy2/(Dy2+KpDp2)

式中 Dp——排風(fēng)管(副線調(diào)節(jié)閥)的管徑，mm；

Dy——羅茨風(fēng)機(jī)輸出管的管徑，mm；

Kp——排放管(副線調(diào)節(jié)閥)的閥門開度，%。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，Dy=800mm、Dp=200mm、Kp=50%，得到節(jié)電率為3%。顯然，以如此低的節(jié)電率進(jìn)行變頻改造是沒有說服力的。

2.2 副線調(diào)節(jié)閥的相關(guān)計(jì)算

副線調(diào)節(jié)閥的數(shù)據(jù)包括：套筒型，通徑DN200mm，PN1.6mm，工作溫度Tn=40℃，閥前壓力p1=150kPa，閥后壓力p2=105kPa，圓整后的流量系數(shù)Kv′=600，流量特性為線性，可調(diào)比R=30。

文獻(xiàn)[5]中，非阻塞流流量系數(shù)Kv的計(jì)算式為：

(1)

式中 Qg——?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)體積流量，Nm3/h；

T1——閥門入口氣體的絕對(duì)溫度，T1=313K；

X——壓差比，X=(p1-p2)/p1=(150-105)/150=0.3；

y——膨脹系數(shù)，y=0.85；

Z——壓縮系數(shù)，Z=1.2；

ρN——?dú)怏w在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(273K，101.3kPa)下的密度，kg/Nm3。

代入以上數(shù)據(jù)，得到：

Kv=0.044Qg

(2)

調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)m為：

m=R/[(1/L)(R-1)+1]=1.94

(3)

m=Kv′/Kv計(jì)

(4)

Kv計(jì)=600/1.94=309.3

式中 Kv計(jì)——不同開度下的計(jì)算流量系數(shù)；

1/L——相對(duì)行程，即開度，調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷時(shí)1/L=50%。

當(dāng)開度為50%時(shí)，通過副線調(diào)節(jié)閥的氣體量，由式(2)可得：

Qg=309.3/0.044=7030Nm3/h

轉(zhuǎn)換成實(shí)際工況后，Qg=5443Nm3/h。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，羅茨風(fēng)機(jī)消耗的電功率Pw為：

Pw=pQ/η

(5)

式中 p——風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓，實(shí)際工況下p=50kPa；

Q——風(fēng)量，m3/s；

η——風(fēng)機(jī)效率，η=60%。

根據(jù)式(5)，通過副線調(diào)節(jié)閥的氣體量折算電動(dòng)機(jī)的功率為：

Pw=50×5443/3600/0.6=126kW

則α=126/560×100%=0.223×100%=22.3%。

3 變頻改造前后輸入側(cè)電氣計(jì)量結(jié)果

變頻改造前后輸入側(cè)電氣計(jì)量結(jié)果見表1。

表1 變頻改造前后輸入側(cè)電氣計(jì)量結(jié)果

羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造前后的有功功率差ΔP=380-210=170kW，變頻器自身?yè)p耗2%，實(shí)際節(jié)省的電功率為170×98%=166.6kW，實(shí)際節(jié)電率為166.6/560×100%=0.298×100%=29.8%。改造后的功率因數(shù)cosΦ=0.97，無(wú)功功率52.6kVar，遠(yuǎn)小于改造前的411kVar。

生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)整是化工生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行經(jīng)常面臨的問題，盡管可以采用更換低功率電機(jī)等其他方法，但對(duì)于如此高的節(jié)電率，變頻技術(shù)在節(jié)能和調(diào)整負(fù)荷方面是具有顯著優(yōu)勢(shì)的。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次對(duì)煤氣機(jī)羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后，提高了功率因數(shù)，降低了無(wú)功功率，提高了節(jié)電率。同時(shí)，羅茨風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。轉(zhuǎn)速降低后，電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命得以延長(zhǎng)。變頻器投入運(yùn)行后，副線調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，節(jié)電效果與變頻改造后電機(jī)輸入側(cè)電度計(jì)量較為接近。

[1] 高兆益.變頻調(diào)速技術(shù)在化工企業(yè)節(jié)能技術(shù)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(6):814～816.

[2] 許春清,周靜,張?zhí)m婷,等.變頻器“一拖四”控制方案在長(zhǎng)輸輸油管道中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2016,52(2):29～32.

[3] 陳居現(xiàn),盧崢,許志成.儀化熱電廠吸風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(9):1158～1161.

[4] 馮東升,張金輝,張智華.羅茨風(fēng)機(jī)的變頻改造節(jié)能分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2010,37(8):43～46.

[5] 吳國(guó)熙.調(diào)節(jié)閥使用與維修[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:67～119.

[6] 季若庸.羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和電機(jī)功率的選擇[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),1996,(6):41～42.

張廣軍(1969-)，工程師，從事化肥廠電氣、儀表的管理工作，zhanguangjun@21cn.com。

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1000-3932(2017)05-0507-02

2016-11-25，

2016-12-22)