楊海濤

摘要：本文通過合成氨裝置冷氨泵及液氨泵變頻改造兩個(gè)實(shí)際案例分析變頻器在節(jié)能降耗方面的應(yīng)用成果；討論變頻改造過程中在工藝、機(jī)械、電氣方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出具體建議；計(jì)算分析變頻器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波分量對供電質(zhì)量的影響。提出增加有源濾波裝置優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量的解決方案。

關(guān)鍵詞：氨泵：節(jié)能降耗；電壓諧波畸變率；電流諧波畸變率；有源濾波器

1引言

隨著變頻技術(shù)的高速發(fā)展，其在工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備中的應(yīng)用。本文重點(diǎn)討論變頻器在金新化工合成裝置氨泵上的應(yīng)用案例，分析變頻器在節(jié)能降耗方面的應(yīng)用成果，探討變頻技術(shù)對電動(dòng)機(jī)，電網(wǎng)所產(chǎn)生的不良影響以及后續(xù)的應(yīng)對措施。

2變頻器

2.1變頻器的組成

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流單元、中間電路、逆變單元及控制電路等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)工藝的實(shí)際需要來提供電動(dòng)機(jī)所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速、節(jié)能的目的。

變頻器的主要組成部分及控制原理如圖1所示：

2.2變頻器的調(diào)速原理電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本原理基于以下公式：

公式中：

n—異步電機(jī)轉(zhuǎn)速；

s—為異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率；

f—電動(dòng)機(jī)定子供電電源頻率（Hz）；

P—電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)；

根據(jù)公式（1）可看出，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種：一是改變轉(zhuǎn)差率s，二是改變電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)p，三是改變電源頻率f。三個(gè)參數(shù)中轉(zhuǎn)差率和磁極對數(shù)是電動(dòng)機(jī)的固有特性，運(yùn)行過程中改變有困難，因此改變頻率為最好的電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法。

從上述公式（1）中得到，在轉(zhuǎn)差率和極對數(shù)不變的前提下，電源頻率增加，實(shí)際轉(zhuǎn)速就增高；電源頻率降低，實(shí)際轉(zhuǎn)速也相應(yīng)下降。這種通過改變電源頻率來進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程稱為變頻調(diào)速。

3變頻器的節(jié)能作用原理

在工業(yè)生產(chǎn)中，對風(fēng)機(jī)、離心泵等設(shè)備常用的控制方法是調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度大小來調(diào)節(jié)給風(fēng)量或給液量，不論生產(chǎn)的實(shí)際需求有多大，電機(jī)仍按照設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速和頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，大量的電能消耗在擋板、閥門的節(jié)流過程中。由流體傳輸設(shè)備的的工作原理可知：離心泵、風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率等于流量與壓力的乘積。因此，離心泵、風(fēng)機(jī)類設(shè)備的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

下面對變頻調(diào)速節(jié)能原理具體分析：

圖2中離心泵、風(fēng)機(jī)特性曲線1與管路特性曲線2相交于A點(diǎn)，此時(shí)流量為Q1，揚(yáng)程為H1，若要將流量由Q1調(diào)節(jié)至Q2，主要有兩種方法：一是調(diào)節(jié)閥門開度，二是改變泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速即改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。若要改變揚(yáng)程或壓力，同理。下面以改變流量這一參數(shù)進(jìn)行介紹。

若采用改變閥門開度的控制方式，管路特性曲線由2變?yōu)?，與泵的特性曲線交于B點(diǎn)，此時(shí)功率p1相當(dāng)于0H2BQ2所包圍的面積。

若采用變頻控制方式，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由N1降到N2，則泵或風(fēng)機(jī)的特性曲線由1變?yōu)?，與不進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)的管路特性曲線交于C點(diǎn)，功率為P2相當(dāng)于0H3CQ2所包圍的面積。

可見，在同樣滿足流量Q2的前提下，采用變頻調(diào)速技術(shù)，功率將顯著減少，揚(yáng)程也大幅降低，節(jié)省的功率ΔP=ΔHQ2與面積BH2H3C成正比，可見節(jié)能的效果是十分明顯的。

4變頻改造的優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1優(yōu)點(diǎn)分析

4.1.1改造前泵出口及回流管線壓力為3.4Mpa，管線震動(dòng)大，且流通介質(zhì)為高危險(xiǎn)性的液氨，存在管道焊口泄漏的安全隱患。經(jīng)過此次技術(shù)改造，在滿足工藝參數(shù)要求的前提下，降低出口壓力至2.1Mpa，使得管線振動(dòng)減小，消除了安全隱患。

4.1.2經(jīng)改造后，按照當(dāng)前裝置運(yùn)行模式，設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間按260天計(jì)算，平均年節(jié)約電量約為（w5+w6）×260=558922 kW·h，折合電費(fèi)252074元，一年內(nèi)收回投資成本，大大降低了生產(chǎn)成本，值得在其他設(shè)備上推廣。

4.1.3該液氨輸送泵為立式多級離心泵，采用機(jī)械密封，且長時(shí)間運(yùn)行，加之液氨的腐蝕性較強(qiáng)，多次出現(xiàn)機(jī)封損壞，液氨泄漏現(xiàn)象，對生產(chǎn)影響度高，且維修難度較大，經(jīng)技術(shù)改造后，降低了設(shè)備的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，從而降低了機(jī)械密封的損壞頻率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在未改造前，兩臺(tái)液氨泵機(jī)械密封共損壞過3次，自技術(shù)改造后，未出現(xiàn)過機(jī)械密封損壞現(xiàn)象。

4.2缺點(diǎn)分析

4.2.1由于屬技術(shù)改造工程，電動(dòng)機(jī)原來配置為非變頻電動(dòng)機(jī)，本次改造未對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行更換，在變頻運(yùn)行時(shí)，頻率改變相當(dāng)于對電動(dòng)機(jī)定子線圈施加很大的陡坡沖擊電壓，使電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣承受嚴(yán)酷考驗(yàn)，加速電動(dòng)機(jī)老化，使電動(dòng)機(jī)的使用壽命受到影響。

4.2.2變頻器在逆變過程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，使配電系統(tǒng)高次諧波含量增加，如諧波含量超過允許限值，則會(huì)產(chǎn)生電能質(zhì)量下降，電動(dòng)機(jī)損耗升高，電力電纜壽命降低等影響。

5、后續(xù)改進(jìn)措施

5.1電動(dòng)機(jī)上的改進(jìn)

考慮后續(xù)將非變頻電機(jī)更換為變頻電機(jī)，上述兩個(gè)案例中的冷氨泵和液氨泵均按一開一備設(shè)計(jì)，本次改造中只改造了一臺(tái)，另外一臺(tái)仍采用非變頻運(yùn)行方式備用，按照當(dāng)前不更換電動(dòng)機(jī)的模式，即使在電動(dòng)機(jī)受頻率改變影響使電動(dòng)機(jī)損壞的情況下，仍有備用設(shè)備可用，不影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。另外，考慮到變頻改造節(jié)能的空間，可在5年電動(dòng)機(jī)絕緣影響較大的時(shí)期對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行更換，更換一臺(tái)電動(dòng)機(jī)成本約為4.5萬元，單臺(tái)變頻改造項(xiàng)目半年節(jié)約的成本即可滿足更換電動(dòng)機(jī)的相應(yīng)費(fèi)用。由此分析，在對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行更換的情況下節(jié)能降耗空間仍較大。

5.2諧波抑制方面的改進(jìn)

考慮后續(xù)在變頻器上采取諧波抑制措施，裝設(shè)有源濾波器。電源諧波抑制方法主要有裝設(shè)無源濾波器和有源濾波器兩種，但是無源濾波器補(bǔ)充特性受電網(wǎng)阻抗，頻率和運(yùn)行狀態(tài)的影響，諧波抑制效果不夠理想，只能起到某幾次固定頻率諧波的抑制效果。目前，上述的變頻改造方案中已配置無源濾波器（輸入及輸出電抗器），但諧波抑制效果不明顯。隨著電子電路的高速發(fā)展，有源濾波器得到了廣泛的應(yīng)用，其輸入阻抗高，輸出阻抗極低，因而具有良好的隔離性能，對抑制電源諧波效果更為明顯。因此為進(jìn)一步降低合成低壓配電室諧波畸變率，后續(xù)考慮在變頻器上裝設(shè)有源濾波器，從而達(dá)到改善電網(wǎng)質(zhì)量的目的。

6結(jié)論分析

通過對上述兩個(gè)案例的總結(jié)，以及通過改造完成后的理論計(jì)算分析過程，可得出如下結(jié)論：

6.1變頻技術(shù)在化工工藝上有很好的應(yīng)用，在化工行業(yè)較值得推廣，變頻技術(shù)能夠通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行負(fù)載調(diào)節(jié)，從而達(dá)到工藝優(yōu)化、精確控制的目的。

6.2變頻改造技術(shù)在節(jié)能降耗方面應(yīng)用效果較好，特別是在通過閥門開度調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的設(shè)備上，節(jié)能效果較明顯。兩臺(tái)設(shè)備一年內(nèi)可節(jié)約電量558922 kW·h。