實(shí)施高壓變頻技術(shù)改造 實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗

張 揚(yáng)，張偉星，曹志成，郝三桃

（內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯014300）

1 凈水站生產(chǎn)給水泵運(yùn)行狀況

內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司凈水站生產(chǎn)水供水系統(tǒng)通過壓力來控制，當(dāng)供水壓力超過設(shè)定壓力時(shí)，必須人工改變回流閥的開度，調(diào)節(jié)回水量，使得系統(tǒng)內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)定值。這種控制方式在閥門上消耗大量的電能，所以水泵在高耗能、低效率狀態(tài)運(yùn)行，同時(shí)由于需要頻繁的人工調(diào)節(jié)，回流閥一年至少要更換2 次，浪費(fèi)了材料也增加了檢修費(fèi)用。

1.1 水泵參數(shù)

水泵型號(hào)：XBD5.3/445-400N13/470；

額定流量：1 600 m3/s；

額定揚(yáng)程：53 m；

額定轉(zhuǎn)速：1 480 r/min；

額定軸功率：315 kW。

1.2 水泵配電機(jī)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)型號(hào)：YKK4501-4；

額定功率：315 kW；

額定電壓：10 kV；

額定電流：23 A；

額定轉(zhuǎn)速：1 490 r/min。

1.3 水泵控制壓力

生產(chǎn)水壓力≥0.30 MPa。

2 技術(shù)改造綜述

2.1 技改內(nèi)容

將原來水泵調(diào)節(jié)方式控制回流閥出口開度，改為調(diào)節(jié)水泵配電機(jī)運(yùn)行頻率，以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到控制壓力的目的。安裝ABB 公司ACS2000 高壓變頻器，根據(jù)電機(jī)額定電壓10 kV，水泵類負(fù)載額定功率315 kW，適合驅(qū)動(dòng)高壓異步電動(dòng)機(jī)的水泵類高壓變頻器ACS2000-23A，來滿足公司生產(chǎn)工藝要求。

2.2 一次回路及保護(hù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，考慮設(shè)備及生產(chǎn)的安全性，采用主回路以及自動(dòng)旁路柜的方案，見圖1。

圖1 一次回路示意圖

2.3 變頻器技術(shù)數(shù)據(jù)

2.3.1 變頻器構(gòu)成

36 脈沖整流輸入9 電平輸出的多電平無熔斷器設(shè)計(jì)（VSI-MF）的電壓源型逆變器，3 組12 脈沖二極管整流；3 組直流回路中壓電容器（自愈式）；自換流5 電平電壓源型逆變器；IGCT 功率半導(dǎo)體元器件；接地故障檢測(cè)；dv/dt 輸出濾波器；空冷型；集成干式變壓器（銅繞組）。

2.3.2 性能參數(shù)

輸出電壓范圍：0～10 000 V；

輸出頻率范圍：0～75 Hz；

控制精度： 額定轉(zhuǎn)速的0.1%（不帶脈沖編碼器）；

轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間：＜3.5 ms；

最小弱磁點(diǎn)：35 Hz；

最大弱磁范圍：1∶2；

額定負(fù)載下的總體效率：大于96.5%（包括整流變壓器和輔助電源的總體效率）；

輸入電壓諧波畸變：＜2%；

輸入電流諧波畸變：＜3%；

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：＜2%。

2.3.3 輔助和控制電源

輔助電源電壓：380 VAC，3 相，50 Hz；

輔助電源電壓波動(dòng)范圍：±10%；

輔助電源消耗：約17 kVA；

控制電源電壓：UPS 電源，230 VAC，單相，50 Hz（用戶或供貨商提供）；

控制電源電壓波動(dòng)范圍：±10%；

控制電源消耗：約3 kVA；

噪音級(jí)別：＜85 dB（A）（額定負(fù)載下）。

3 工藝計(jì)算

3.1 生產(chǎn)給水泵節(jié)能計(jì)算

根據(jù)目前運(yùn)行現(xiàn)狀及上表實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，可以算出各電機(jī)實(shí)際消耗的軸功率：

由于設(shè)備長(zhǎng)期處于運(yùn)行電流21 A 狀態(tài)，故應(yīng)取長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)電流21 A 為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

P1=1.732 I2U2cosφ=1.732×10×21×0.86×0.92=288（kW）

3.2 根據(jù)流量、壓力、軸功率與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系

流量與轉(zhuǎn)速成正比、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。

3.3 節(jié)電率計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)出口閥開度100%，回流閥開度50%，回流的量靠回流閥控制，母管壓力同樣利用回流閥的開度調(diào)節(jié)，由于沒有準(zhǔn)確的回流流量值，只能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋估算，年平均回流量為400～800 m3/h，故取中間值600 m3/h，進(jìn)行分析計(jì)算，又由于現(xiàn)場(chǎng)壓力要求≥0.30 MPa，所以按照壓力和流量綜合分析作為節(jié)能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

安裝變頻器后出口閥100%開，回流閥全關(guān)。根據(jù)流量與轉(zhuǎn)速成正比、壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比的關(guān)系，可以求出低速下（滿足壓力條件）實(shí)際消耗的有功功率：

P2=Pe×（n2/n1）3=315×（H2/H1）3/2=169（kW）

變頻時(shí)合計(jì)消耗電能：

P3=P2/λ1/λ2=1 956/96%/95%=186（kW）

λ1為變頻效率；λ2為傳動(dòng)效率

理論節(jié)電率：

η理論=（P1－P3）/P1＝（288-186）/288=35%

在此壓力下，流量下降20%，滿足流量的要求，故以壓力為準(zhǔn)。

3.4 技改前后水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)

凈水站生產(chǎn)水泵變頻改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比表見表1。

3.5 節(jié)電分析匯總

節(jié)電分析匯總見表2。

進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)電改造后不僅僅能為企業(yè)創(chuàng)造了很高的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又創(chuàng)造了環(huán)境效益，每年節(jié)約的電能68.43 萬kW·h。

表1 凈水站生產(chǎn)水泵變頻改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.6 國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

1 kW·h＝0.342 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤；

1 t 標(biāo)準(zhǔn)煤＝2.5 t 二氧化碳排放量；

1 t 標(biāo)準(zhǔn)煤＝0.016 5 t 二氧化硫排放量；

1 t 標(biāo)準(zhǔn)煤＝0.014 tTSP 排放量（總懸浮顆粒物）。

3.7 大氣環(huán)境效益

每年節(jié)約電能68.43 萬kW·h 標(biāo)準(zhǔn)煤514.92 t；可以減少二氧化碳排放量1 287.3 t；減少二氧化硫排放量8.5 t；減少TSP 排放量7.21 t。

表2 節(jié)電分析匯總表

3.8 間接效益

變頻調(diào)速器其良好的可靠性以及調(diào)速范圍廣且平滑等性能可以滿足工藝要求，小的啟動(dòng)電流亦可以減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。變頻系統(tǒng)各種保護(hù)功能可靠，從而消除了因電機(jī)過載或單相運(yùn)行而燒毀電機(jī)的現(xiàn)象，確保了安全運(yùn)行。降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人工成本和維修成本。增加了作業(yè)人員的工作舒適度，創(chuàng)造了安全可靠的工作環(huán)境。