石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院

王玉彬
摘　　要:本文從變頻調(diào)速的原理出發(fā)，介紹了煉油廠中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能的基本原理，并通過實(shí)例對其節(jié)能效果做出了分析。
關(guān) 鍵 詞:變頻調(diào)速 節(jié)能 煉油廠
Abstract:Based on the basic principle of frequency variable adjusting speed, the principle of energy saving was introduced in this paper. At the same time, the practical energy savingeffect was analyzed via example.
Keywords:Frequency variable adjusting speed Energy saving
Petroleum refinery
1 引言
由于電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了對交流電機(jī)來說是最好的變頻調(diào)速技術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代了其它交流電機(jī)調(diào)速方式，乃至直流電機(jī)調(diào)速，而成為電氣傳動(dòng)的中樞。交流電機(jī)調(diào)速主要有兩個(gè)目的，其一是為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，其二是為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的。目前，由于我國的特殊國情，存在大量的煉油廠，尤其是各大油田的周邊地區(qū)數(shù)量更多。以勝利油田為例，地方、油田和高校所擁有的原油加工企業(yè)達(dá)到8家。煉油企業(yè)生產(chǎn)過程中，流量、液面、壓力等參數(shù)隨工況的改變而改變,傳統(tǒng)上采用控制閥門或擋板開度的方法來改變，即人為地增減阻力來實(shí)現(xiàn)，電力損耗非常大，泵和風(fēng)機(jī)一般是由交流電機(jī)拖動(dòng)，采用控制閥等控制流量，節(jié)流損失能量大，若機(jī)泵采用變頻調(diào)速，則節(jié)能效益十分可觀。
2 變頻調(diào)速的基本原理
交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:
n=60f(1-S)/P
S—轉(zhuǎn)差率; P—電動(dòng)機(jī)極對數(shù);f—供給電機(jī)定子繞組的電源頻率。由上式可以看出, 有三條途徑可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。一是改變極對數(shù)P，其實(shí)質(zhì)是改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，但它只能是有限的幾擋速度，不能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，只能適用于調(diào)速要求不高且不需平滑調(diào)速的場合;二是改變轉(zhuǎn)差率S，它是通過在轉(zhuǎn)子回路中串電阻實(shí)現(xiàn)的，但此時(shí)人為地將特性變軟，低速時(shí)靜差度大，調(diào)速范圍不廣，而且低速時(shí)轉(zhuǎn)子銅耗很大，效率低而發(fā)熱嚴(yán)重，它仍然是有級調(diào)速，而且它只能用于繞線式異步電機(jī)調(diào)速; 三是改變定子電源頻率f, 由于電源頻率f與轉(zhuǎn)速n成正比，變頻調(diào)速就是通過改變電源頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即通過改變定子供電頻率來改變轉(zhuǎn)速，從而可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。變頻調(diào)速具有高效率、機(jī)械特性硬調(diào)速范圍廣、高精度等特點(diǎn),可以適應(yīng)不同負(fù)載特性的要求，是運(yùn)用最廣最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。圖1為變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。
圖1 基頻以下調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性曲線

由圖1可知，不同時(shí), 在相同轉(zhuǎn)矩時(shí)的速度降變化很小，所以工作區(qū)的機(jī)械特性曲線大致是平行的，保持了較硬的機(jī)械特性; 隨著的下降，臨界轉(zhuǎn)矩逐漸減小，電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力也隨之下降。
3 變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能原理
風(fēng)機(jī)水泵的節(jié)能原理是用調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量以達(dá)到節(jié)能的目的。今以水泵為例,
對其節(jié)電原理作出詳細(xì)介紹, 機(jī)泵的特性曲線如圖2所示。

圖2 基頻以下調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性曲線
設(shè)水泵流量由減小為，若采用關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)，管阻特性將變?yōu)榍€③，而揚(yáng)程特性仍為曲線①，故工作點(diǎn)由A移至B。此時(shí)，流量減小，揚(yáng)程從增加為，軸功率與面積OEBF成正比。
若保持閥門開度不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，則當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性隨之變化，管阻特性不變。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，揚(yáng)程特性曲線下降為曲線④，管阻特性曲線仍為曲線②，工作點(diǎn)移至C，軸功率與面積OECH成正比。節(jié)省的功率耗損ΔP與面積HCBF成正比，可見節(jié)電效果十分顯著。
從流體力學(xué)的觀點(diǎn)來看，流量正比于轉(zhuǎn)速，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。若轉(zhuǎn)速下降20%，則功率下降到51.2%， 若轉(zhuǎn)速下降50%，則軸功率下降到12.5%， 即使考慮調(diào)速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也是相當(dāng)可觀的。
另外，當(dāng)采用變頻調(diào)速技術(shù)以后，電動(dòng)機(jī)的工作效率得到了提高，同時(shí)水泵的工作效率也處于最佳狀態(tài)。
4 實(shí)例及節(jié)能效果分析
某煉廠生產(chǎn)供水水源有三臺10sh-6型離心泵，配用JS115-4,135kW電機(jī)，改造前系統(tǒng)壓力和流量通過改變泵的出口閥開度進(jìn)行控制，能量損失很大。為達(dá)到節(jié)能降耗的目的，進(jìn)行設(shè)備改造，采用富士公司生產(chǎn)的FRENC500G7/P7電壓型變頻器。其節(jié)電效果比較顯著，電機(jī)工作電流由220A下降到180～110A。在保證系統(tǒng)壓力不變的情況下，電機(jī)負(fù)荷隨著泵的負(fù)荷上下波動(dòng)，電流下降了20%～50%，平均節(jié)電在30%～50%。
4.1 直接經(jīng)濟(jì)效益
其直接經(jīng)濟(jì)效益是節(jié)約電費(fèi)，一臺135kW電機(jī)，一年按運(yùn)行350天工作計(jì)算，根據(jù)公式P＝UI，有下式＝×335×180＝104.44kVA節(jié)約有功功率:ΔP＝(-)×cosφ＝37.54kW節(jié)約電能:W＝ΔP×ｔ＝37.54×24×350=315336kW?h若1kW?h電按0.5元計(jì)算，則每臺電機(jī)每年可以節(jié)約電費(fèi)15.77萬元，其節(jié)能效果是相當(dāng)顯著的。
4.2 間接經(jīng)濟(jì)效益
當(dāng)電動(dòng)機(jī)在全壓啟動(dòng)時(shí)，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定狀態(tài)，所需時(shí)間很短，而水的流量從零猛增到額定流量，則會(huì)產(chǎn)生水錘效應(yīng)，原因是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性，它會(huì)引起管子的破裂或癟塌，還可能損壞閥門和其他固定部件。
采用變頻調(diào)速后，則可以使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大大減小，消除水錘效應(yīng)，而且可以延長水泵的工作壽命，減少維修次數(shù)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)可以減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。
5 結(jié)束語
煉油廠中風(fēng)機(jī)、水泵等大功率輔機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅使調(diào)速性能優(yōu)越，而且節(jié)能效果十分顯著。變頻調(diào)速裝置可以減小起動(dòng)電流,降低噪音,減少電儀修操作工的勞動(dòng)量。因此，隨著變頻器制造技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟,單位功率的價(jià)格不斷下降,變頻調(diào)速技術(shù)的推廣，變頻調(diào)速裝置在煉油廠中將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)