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施了多項政策法規(guī),旨在推動節(jié)能技術(shù)進步,提高能源利用效率,促進節(jié)能降耗和污染減排。電機系統(tǒng)節(jié)能是國家啟動的十大重點節(jié)能工程之一,國家發(fā)展規(guī)劃要求,當前應(yīng)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù),即風機、水泵、壓縮機等通用機械系統(tǒng)采用變頻調(diào)速節(jié)能措施,工業(yè)機械采用交流電動機變頻工藝調(diào)速技術(shù)。在“十一五”期間,我國將實現(xiàn)電機系統(tǒng)運行效率提高2個百分點,形成年節(jié)電能力達200億千瓦時的目標。
1、電機系統(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、風機等恒轉(zhuǎn)矩負載在沒有調(diào)速情況下,要求改變流量時,只能通過機械調(diào)整閥門開啟角度,雖然流量下降了,但泵或風機的出口壓力升高,功率下降并不明顯,近似成為恒功率負載,造成電源利用率極低(用于克服調(diào)節(jié)裝置的阻力)。當使用變頻調(diào)速時,如果流量要求減小,就可以通過降低泵或風機的轉(zhuǎn)速,即可滿足要求。而泵或風機的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比,隨著轉(zhuǎn)速的降低,功率會快速下降。
大部分風機、泵類負載設(shè)計時留有較大的裕度,有一部分設(shè)備為考慮擴產(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)過程不斷的變動中有降速的條件而電機未做調(diào)節(jié),上述設(shè)備電耗長期維持在一個較高水平上,浪費嚴重。
在實際生產(chǎn)領(lǐng)域中,為了保證生產(chǎn)的可靠性,各種生產(chǎn)機械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時,都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行,除達到動力驅(qū)動要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成電能的浪費,在壓力偏高時,可降低電機的運行速度,使其在恒壓的同時節(jié)約電能。
2、電機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能原理
通過流體力學的基本定律可知:風機、泵類設(shè)備均屬變轉(zhuǎn)矩負載,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
由此可見降低電機轉(zhuǎn)速可得到立方級的節(jié)能效果。這就是變頻器電機控制對于電機容量預(yù)留和生產(chǎn)負荷階段調(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)電機系統(tǒng)進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機驅(qū)動的風機、水泵、空氣壓縮機等負載進行變頻器控制改造,從而實現(xiàn)節(jié)能減排及確保電機變頻節(jié)能改造項目的投資,達到預(yù)期的經(jīng)濟性。
3、電機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能效益
以下對各類高低壓電動機變頻改造方案及效果的實例進行數(shù)據(jù)分析,來直觀了解改造后的經(jīng)濟效益。
1800kW高溫風機
10kV1800kW高溫風機運行狀況:電機改造前實際運行電流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)速的流體機械(如風機、泵類)時,有相當?shù)墓?jié)電效果,原節(jié)電率可達25%,因此,變頻改造實際節(jié)電約437KW,因此變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約25%的功率。全年按運行7200小時,電費為0.50元計算,年節(jié)電費437×7200×0.50=157萬元,按目前國產(chǎn)變頻器價格計算,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, 風門全開由DCS給定頻率。
鍋爐鼓風機(355KW)
變頻節(jié)能計算:由于風門平均開度為50%,故實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。變頻時每小時節(jié)約355×0.95×28%=94.4kw,全年按運行7200小時,電費為0.50元計算,年節(jié)電94.4kw×7200×0.50=34萬元,按目前國產(chǎn)變頻器價格計算,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, 風門全開由DCS給定頻率。
給水泵(90KW)
運行狀況:電機實際電流147A,管道出口壓力5公斤
變頻節(jié)能計算:目前電機實際消耗功率 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)公式變頻后實際消耗功率：(3.95/5)1.5×85.5KW/0.98=61.56KW
每小時節(jié)電: 85.5KW-61.56KW=23.94度
每年節(jié)電:23.94度×8000小時 =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,當壓力達到*大時,空氣壓縮機通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進氣閥使空氣壓縮機不需要再壓縮氣體做功,但空氣壓縮機的電動機還是要帶動空壓機運動,據(jù)測算,空氣壓縮機卸載時的能耗約占空氣壓縮機滿載運行的10%-15%,在卸載時段內(nèi),空氣壓縮機在做無用功,白白地消耗能量。同時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。
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,與壓力給定值進行比較,并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算,產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出頻率,自動調(diào)整電機轉(zhuǎn)速,從而使實際壓力始終維持在給定壓力,變頻改造后空壓機大部分時間不會卸載。另外,采用該方案后,空氣壓縮機電動機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動,避免了起動時的大電流和起動時給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。
變頻節(jié)能計算:根據(jù)電表實測目前電機實際消耗功率:225KW,進行變頻改造后大部分時間不會卸載,根據(jù)現(xiàn)卸載時間估算節(jié)電率在29%左右。
每年節(jié)電:225KW×29%×7920小時=51.67萬度,1年半可回收變頻投資
4、電機系統(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, 提高自動化水平,減輕工人勞動強度,也改善工藝水平。
4.3 變頻改造后,電機將軟啟動,對電網(wǎng)、電機、機械無任何沖擊,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、缺相等多種保護功能,有效保護電機、電網(wǎng),更便于查找故障及維護。
5、結(jié)論
由上可見,對工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)電機系統(tǒng)進行以變頻器為主要節(jié)能手段的技術(shù)改造,可以實現(xiàn)節(jié)能減排,同時確保電機變頻節(jié)能改造項目的投資達到預(yù)期的經(jīng)濟性,一般投入使用后2年內(nèi)可收回投資。同時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。