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變頻調(diào)速技術(shù)在大型空分裝置中的節(jié)能分析

時(shí)間:2017-03-06 11:35 來源:未知 作者:admin

文章摘要：據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電量的60%~70%左右，而風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國(guó)電力消耗的1/3左右。造成目前這種狀況的主要因素就是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，無論生產(chǎn)的需求大小

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電量的60%~70%左右，而風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國(guó)電力消耗的1/3左右。造成目前這種狀況的主要因素就是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，無論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)、水泵都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，其輸出功率大量消耗在擋板、閥門的截流過程中，同時(shí)也增加了設(shè)備的損耗。由于風(fēng)機(jī)、水泵類多數(shù)為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也將大幅下降，因此節(jié)能潛力非常大，目前最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速技術(shù)來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率可以達(dá)到20%~50%,投資回收期1~3年左右，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。因此大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅是當(dāng)前提高企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，而且也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變的必然要求。
 
　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的應(yīng)用范圍非常廣泛。其電能消耗也相當(dāng)巨大。因此大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅是當(dāng)前提高企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，而且也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變的必然要求。在某400萬噸/年煤炭間接液化項(xiàng)目空分裝置中擁有大量的大功率空冷器軸流風(fēng)機(jī)，該類風(fēng)機(jī)采用變頻控制，節(jié)能效果顯著。
 
　　在某400萬噸/年煤炭間接液化項(xiàng)目空分裝置中擁有大量的大功率空冷器軸流風(fēng)機(jī)及其他泵類設(shè)備，采用變頻控制節(jié)能效果顯著。該項(xiàng)目包含12套101500Nm3/hO2的空分裝置、一套空壓站以及兩套后備系統(tǒng)。
 
　　該空分裝置項(xiàng)目采用變頻器控制的風(fēng)機(jī)類負(fù)荷包括每套空分裝置9臺(tái)160kW的空冷器軸流風(fēng)機(jī)�？绽淦鬏S流風(fēng)機(jī)容量是按照最熱月平均溫度工況下并留有一點(diǎn)余量選擇的，據(jù)林德公司實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示，該風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)如采用變頻控制在正常工況下實(shí)際運(yùn)行功率只有75.7kW左右。如果按照每年工作333天計(jì)算，采用變頻控制調(diào)速相比采用擋板開度調(diào)速，僅12套空分裝置空冷器軸流風(fēng)機(jī)節(jié)省電能就達(dá)到約4.96*107kWh（計(jì)算過程詳見"四、變頻調(diào)速裝置節(jié)能計(jì)算"）。
 
　　該空分項(xiàng)目采用變頻控制的泵類設(shè)備包括每套空分裝置3臺(tái)190kW液氧內(nèi)循環(huán)泵、2臺(tái)110kW液氧流程泵、2臺(tái)75kW液氮內(nèi)壓縮泵以及每套后備系統(tǒng)3臺(tái)190kW液氧后備泵、3臺(tái)295kW高壓液氮后備泵、3臺(tái)315kW中壓液氮后備泵。根據(jù)林德公司提供數(shù)據(jù)計(jì)算該項(xiàng)目泵類負(fù)荷采用變頻控制在正常工況下每年可節(jié)省電能約1.0x107kWh（該數(shù)據(jù)為不計(jì)入后備系統(tǒng)所節(jié)省電能，因后備系統(tǒng)不常用）。
 
　　變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p,（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)工作電源頻率，同時(shí)調(diào)節(jié)輸入電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。我們使用的變頻器主要采用交―直―交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率。
 
　　由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）*H（壓力），而流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，得功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。例如：本項(xiàng)目一臺(tái)液氮內(nèi)壓縮泵75kW,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其單位小時(shí)內(nèi)的耗電量為75*（4/5）3=38.4KW?h,可省電（75-38.4）/75=48.8%,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其單位小時(shí)內(nèi)的耗電量為75*（1/2）3=9.375KW?h,可省電（75-9.375）/75=87.5%.
 
　　無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，由公式P=S*COSФ，Q=S*SINФ，其中S-視在功率，P-有功功率，Q-無功功率，COSФ-功率因數(shù)，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.6-0.8之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，COSФ≈1,從而減少了無功損耗。
 
　　由于大容量電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流等于（4-7）倍額定電流，這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過高，起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻調(diào)速裝置后，利用變頻器的軟起動(dòng)功能將使起動(dòng)電流從零開始，平滑的達(dá)到額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。
 
　　對(duì)于本空分裝置項(xiàng)目風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速裝置后的節(jié)能效果，可以采用以下方式進(jìn)行計(jì)算：
 
　　根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式：P/P0=（n/n0）3計(jì)算，式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時(shí)的功率；P為轉(zhuǎn)速n時(shí)的功率。
 
　　以本項(xiàng)目一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)160kW為例。運(yùn)行工況以24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，其中每天16小時(shí)運(yùn)行在90%負(fù)荷（頻率按45Hz計(jì)算，擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按97%計(jì)算），8小時(shí)運(yùn)行在50%負(fù)荷（頻率按25Hz計(jì)算，擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按72%計(jì)算），全年運(yùn)行時(shí)間以333天為計(jì)算依據(jù)。
 
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變頻器調(diào)速裝置使用淺析:異步電動(dòng)機(jī)是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動(dòng)力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電動(dòng)機(jī)消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。近年來，隨著變頻器生產(chǎn)技術(shù)的成熟以及變頻器應(yīng)用范圍的

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