隨著我國政府提出建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的方針,近年來,國家和地方頒布和實(shí)施了多項(xiàng)政策法規(guī),旨在推動(dòng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步,提高能源利用效率,促進(jìn)節(jié)能降耗和污染減排。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是國家啟動(dòng)的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一,國家發(fā)展規(guī)劃要求,當(dāng)前應(yīng)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù),即風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等通用機(jī)械系統(tǒng)采用變頻調(diào)速節(jié)能措施,工業(yè)機(jī)械采用交流電動(dòng)機(jī)變頻工藝調(diào)速技術(shù)。在“十一五”期間,我國將實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率提高2個(gè)百分點(diǎn),形成年節(jié)電能力達(dá)200億千瓦時(shí)的目標(biāo)。
1、電機(jī)系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能背景
采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗的重要途徑。水泵、風(fēng)機(jī)等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在沒有調(diào)速情況下,要求改變流量時(shí),只能通過機(jī)械調(diào)整閥門開啟角度,雖然流量下降了,但泵或風(fēng)機(jī)的出口壓力升高,功率下降并不明顯,近似成為恒功率負(fù)載,造成電源利用率極低(用于克服調(diào)節(jié)裝置的阻力)。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí),如果流量要求減小,就可以通過降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,即可滿足要求。而泵或風(fēng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比,隨著轉(zhuǎn)速的降低,功率會快速下降。
大部分風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載設(shè)計(jì)時(shí)留有較大的裕度,有一部分設(shè)備為考慮擴(kuò)產(chǎn)需要,容量選大后閥門常年未全開另一部分設(shè)備要根據(jù)生產(chǎn)情況隨時(shí)調(diào)節(jié)閥門來控制流量還有一部分設(shè)備生產(chǎn)過程不斷的變動(dòng)中有降速的條件而電機(jī)未做調(diào)節(jié),上述設(shè)備電耗長期維持在一個(gè)較高水平上,浪費(fèi)嚴(yán)重。
在實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域中,為了保證生產(chǎn)的可靠性,各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí),都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行,除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成電能的浪費(fèi),在壓力偏高時(shí),可降低電機(jī)的運(yùn)行速度,使其在恒壓的同時(shí)節(jié)約電能。
2、電機(jī)系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能原理
通過流體力學(xué)的基本定律可知:風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬變轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其轉(zhuǎn)速n 與流量q,壓力p 以及軸功率P具有如下關(guān)系:流量與轉(zhuǎn)速和頻率成正比、壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
Q1/Q2 = n1/n2=f1/f2
H1/H2 = (n1/n2)2
P1/P2 = (n1/n2)3
由此可見降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到立方級的節(jié)能效果。這就是變頻器電機(jī)控制對于電機(jī)容量預(yù)留和生產(chǎn)負(fù)荷階段調(diào)整的節(jié)能原理。
投入變頻器后,還能提高其所控電機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù),減少配電系統(tǒng)的網(wǎng)損。
因此,采用可靠的高、低壓變頻節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品對工廠現(xiàn)有生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行以變頻器為主要節(jié)能手段的技術(shù)改造,通過對前述各類高低壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)等負(fù)載進(jìn)行變頻器控制改造,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排及確保電機(jī)變頻節(jié)能改造項(xiàng)目的投資,達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)性。
3、電機(jī)系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能效益
以下對各類高低壓電動(dòng)機(jī)變頻改造方案及效果的實(shí)例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,來直觀了解改造后的經(jīng)濟(jì)效益。
1800kW高溫風(fēng)機(jī)
10kV1800kW高溫風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況:電機(jī)改造前實(shí)際運(yùn)行電流116A,目前消耗功率:1.732×10.5×116×0.85=1793KW,原系采用液力偶合器調(diào)速,調(diào)速78.5%,由變頻改造后功率0.7853×1800/0.96=908KW,節(jié)約功率1793-908=885KW, 液力偶合器傳統(tǒng)上用于需要調(diào)速的流體機(jī)械(如風(fēng)機(jī)、泵類)時(shí),有相當(dāng)?shù)墓?jié)電效果,原節(jié)電率可達(dá)25%,因此,變頻改造實(shí)際節(jié)電約437KW,因此變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約25%的功率。全年按運(yùn)行7200小時(shí),電費(fèi)為0.50元計(jì)算,年節(jié)電費(fèi)437×7200×0.50=157萬元,按目前國產(chǎn)變頻器價(jià)格計(jì)算,2年可回收變頻投資。
改造方法:擬配置變頻器具工―變頻切換功能, 風(fēng)門全開由DCS給定頻率。
鍋爐鼓風(fēng)機(jī)(355KW)
變頻節(jié)能計(jì)算:由于風(fēng)門平均開度為50%,故實(shí)際流量約為額定流量的70%,從上表曲線中查出采用變頻調(diào)速時(shí)消耗額定功率的36%,采用葉片調(diào)節(jié)則消耗額定功率的64%,兩者相比變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約28%的額定消耗功率。變頻時(shí)每小時(shí)節(jié)約355×0.95×28%=94.4kw,全年按運(yùn)行7200小時(shí),電費(fèi)為0.50元計(jì)算,年節(jié)電94.4kw×7200×0.50=34萬元,按目前國產(chǎn)變頻器價(jià)格計(jì)算,1年半可回收變頻投資。
改造方法:擬配置變頻器具工―變頻切換功能, 風(fēng)門全開由DCS給定頻率。
給水泵(90KW)
運(yùn)行狀況:電機(jī)實(shí)際電流147A,管道出口壓力5公斤
變頻節(jié)能計(jì)算:目前電機(jī)實(shí)際消耗功率 1.732×380V×147A×0.88=85.5KW
變頻后恒定供水壓力為3.95公斤左右,則根據(jù)公式變頻后實(shí)際消耗功率：(3.95/5)1.5×85.5KW/0.98=61.56KW
每小時(shí)節(jié)電: 85.5KW-61.56KW=23.94度
每年節(jié)電:23.94度×8000小時(shí) =19.2萬度
1年半可回收變頻投資。
改造方法:擬配置2臺變頻器,具工―變頻切換功能,恒壓控制。
通常情況,當(dāng)壓力達(dá)到*大時(shí),空氣壓縮機(jī)通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使空氣壓縮機(jī)不需要再壓縮氣體做功,但空氣壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)還是要帶動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)動(dòng),據(jù)測算,空氣壓縮機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空氣壓縮機(jī)滿載運(yùn)行的10%-15%,在卸載時(shí)段內(nèi),空氣壓縮機(jī)在做無用功,白白地消耗能量。同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空,這種調(diào)節(jié)方法也要造成很大的能量浪費(fèi)。
改造方法:擬配置變頻器,壓力變送器將儲氣罐的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oPID調(diào)節(jié)器,與壓力給定值進(jìn)行比較,并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算,產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出頻率,自動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力,變頻改造后空壓機(jī)大部分時(shí)間不會卸載。另外,采用該方案后,空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),避免了起動(dòng)時(shí)的大電流和起動(dòng)時(shí)給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。
變頻節(jié)能計(jì)算:根據(jù)電表實(shí)測目前電機(jī)實(shí)際消耗功率:225KW,進(jìn)行變頻改造后大部分時(shí)間不會卸載,根據(jù)現(xiàn)卸載時(shí)間估算節(jié)電率在29%左右。
每年節(jié)電:225KW×29%×7920小時(shí)=51.67萬度,1年半可回收變頻投資
4、電機(jī)系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能其它效果
4.1 變頻改造后,提高功率因素。
4.2 變頻改造后, 提高自動(dòng)化水平,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,也改善工藝水平。
4.3 變頻改造后,電機(jī)將軟啟動(dòng),對電網(wǎng)、電機(jī)、機(jī)械無任何沖擊,大大延長了設(shè)備使用壽命。
4.4 變頻器具有過流,過壓、過載、短路、斷路、缺相等多種保護(hù)功能,有效保護(hù)電機(jī)、電網(wǎng),更便于查找故障及維護(hù)。
5、結(jié)論
由上可見,對工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行以變頻器為主要節(jié)能手段的技術(shù)改造,可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,同時(shí)確保電機(jī)變頻節(jié)能改造項(xiàng)目的投資達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)性,一般投入使用后2年內(nèi)可收回投資。同時(shí)變頻改造后電耗將大幅降低,企業(yè)生產(chǎn)成本也隨之降低,使企業(yè)走上良性循環(huán)的軌道。