電機系統變頻調速節能改造效益分析

張 挺

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電機系統變頻調速節能改造效益分析

張 挺

福建省建筑輕紡設計院

對各類高低壓電動機變頻改造方案及效果的實例進行數據分析，了解改造后的經濟效益。

變頻調速 節能 效益分析

隨著我國政府提出建設資源節約型、環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，旨在推動節能技術進步，提高能源利用效率，促進節能降耗和污染減排。電機系統節能是國家啟動的十大重點節能工程之一，國家發展規劃要求，當前應推廣變頻調速節能技術，即風機、水泵、壓縮機等通用機械系統采用變頻調速節能措施，工業機械采用交流電動機變頻工藝調速技術。在“十一五”期間，我國將實現電機系統運行效率提高2個百分點，形成年節電能力達200億千瓦時的目標。

1 電機系統變頻調速節能背景

采用變頻調速技術是節能降耗的重要途徑。水泵、風機等恒轉矩負載在沒有調速情況下，要求改變流量時，只能通過機械調整閥門開啟角度，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（用于克服調節裝置的阻力）。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，就可以通過降低泵或風機的轉速，即可滿足要求。而泵或風機的功率與轉速的立方成正比，隨著轉速的降低，功率會快速下降。

大部分風機、泵類負載設計時留有較大的裕度，有一部分設備為考慮擴產需要，容量選大后閥門常年未全開；另一部分設備要根據生產情況隨時調節閥門來控制流量；還有一部分設備生產過程不斷的變動中有降速的條件而電機未做調節，上述設備電耗長期維持在一個較高水平上，浪費嚴重。

在實際生產領域中，為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，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約電能。

2 電機系統變頻調速節能原理

通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬變轉矩負載，其轉速n 與流量q，壓力p 以及軸功率P具有如下關系：流量與轉速和頻率成正比、壓力與轉速的平方成正比、軸功率與轉速的立方成正比。

Q1/Q2= n1/n2=f1/f2

H1/H2= (n1/n2)2

P1/P2= (n1/n2)3

風機各調節方式的能耗-流量曲線見圖1。

圖1 風機各調節方式的能耗-流量曲線

由此可見降低電機轉速可得到立方級的節能效果。這就是變頻器電機控制對于電機容量預留和生產負荷階段調整的節能原理。

投入變頻器后，還能提高其所控電機系統的功率因數，減少配電系統的網損。

因此，采用可靠的高、低壓變頻節能技術及產品對工廠現有生產領域相關電機系統進行以變頻器為主要節能手段的技術改造，通過對前述各類高低壓電動機驅動的風機、水泵、空氣壓縮機等負載進行變頻器控制改造，從而實現節能減排及確保電機變頻節能改造項目的投資，達到預期的經濟性。

3 電機系統變頻調速節能效益

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據分析，來直觀了解改造后的經濟效益。

●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速，調速78.5%，由變頻改造后功率0.7853×1800/0.96=908KW，節約功率1793-908=885KW,液力偶合器傳統上用于需要調速的流體機械(如風機、泵類)時，有相當的節電效果，原節電率可達25％，因此，變頻改造實際節電約437KW，因此變頻調節可以節約25%的功率。全年按運行7200小時，電費為0.50元計算，年節電費437×7200×0.50=157萬元，按目前國產變頻器價格計算，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，見圖2。

圖2

●鍋爐鼓風機(355KW)

變頻節能計算: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速時消耗額定功率的36%，采用葉片調節則消耗額定功率的64%，兩者相比變頻調節可以節約28%的額定消耗功率。變頻時每小時節約355×0.95×28%=94.4kw，全年按運行7200小時，電費為0.50元計算，年節電94.4kw×7200×0.50=34萬元，按目前國產變頻器價格計算，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。 (見上圖)

●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

每小時節電: 85.5KW-61.56KW=23.94度

每年節電：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。

改造方案：詳見圖3。

圖3

●空氣壓縮機 (250KW)

通常情況，當壓力達到最大時，空氣壓縮機通過如下方法來降壓卸載：關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，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，這種調節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變為電信號送給ＰＩＤ調節器，與壓力給定值進行比較，并根據差值的大小按既定的ＰＩＤ控制模式進行運算，產生控制信號去控制變頻器的輸出頻率，自動調整電機轉速，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定轉速可由變頻器實現軟啟動，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，見圖4。

圖4 系統框圖

變頻節能計算:根據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，根據現卸載時間估算節電率在29%左右。

每年節電:225KW×29%×7920小時=51.67萬度，1年半可回收變頻投資

4 電機系統變頻調速節能其它效果

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、電機、機械無任何沖擊，大大延長了設備使用壽命。

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，更便于查找故障及維護。

5 結論

由上可見，對工業生產領域相關電機系統進行以變頻器為主要節能手段的技術改造，可以實現節能減排，同時確保電機變頻節能改造項目的投資達到預期的經濟性，一般投入使用后2年內可收回投資。同時變頻改造后電耗將大幅降低，企業生產成本也隨之降低，使企業走上良性循環的軌道。