據(jù)統(tǒng)計，我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60%~70%左右，而風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3左右。造成目前這種狀況的主要因素就是：風機、水泵等設備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風量和給水量，無論生產(chǎn)的需求大小，風機、水泵都要全速運轉(zhuǎn)，其輸出功率大量消耗在擋板、閥門的截流過程中，同時也增加了設備的損耗。由于風機、水泵類多數(shù)為平方轉(zhuǎn)矩負載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關系，所以當風機、水泵轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率也將大幅下降，因此節(jié)能潛力非常大，目前最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速技術來調(diào)節(jié)流量、風量，應用變頻器節(jié)電率可以達到20%~50%,投資回收期1~3年左右，經(jīng)濟效益相當可觀。因此大力推廣應用變頻調(diào)速技術，不僅是當前提高企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，而且也是實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。

 

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風機、泵類設備的應用范圍非常廣泛。其電能消耗也相當巨大。因此大力推廣應用變頻調(diào)速技術，不僅是當前提高企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，而且也是實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。在某400萬噸/年煤炭間接液化項目空分裝置中擁有大量的大功率空冷器軸流風機，該類風機采用變頻控制，節(jié)能效果顯著。

 

　　在某400萬噸/年煤炭間接液化項目空分裝置中擁有大量的大功率空冷器軸流風機及其他泵類設備，采用變頻控制節(jié)能效果顯著。該項目包含12套101500Nm3/hO2的空分裝置、一套空壓站以及兩套后備系統(tǒng)。

 

　　該空分裝置項目采用變頻器控制的風機類負荷包括每套空分裝置9臺160kW的空冷器軸流風機。空冷器軸流風機容量是按照最熱月平均溫度工況下并留有一點余量選擇的，據(jù)林德公司實際運行經(jīng)驗顯示，該風機電動機如采用變頻控制在正常工況下實際運行功率只有75.7kW左右。如果按照每年工作333天計算，采用變頻控制調(diào)速相比采用擋板開度調(diào)速，僅12套空分裝置空冷器軸流風機節(jié)省電能就達到約4.96*107kWh（計算過程詳見"四、變頻調(diào)速裝置節(jié)能計算"）。

 

　　該空分項目采用變頻控制的泵類設備包括每套空分裝置3臺190kW液氧內(nèi)循環(huán)泵、2臺110kW液氧流程泵、2臺75kW液氮內(nèi)壓縮泵以及每套后備系統(tǒng)3臺190kW液氧后備泵、3臺295kW高壓液氮后備泵、3臺315kW中壓液氮后備泵。根據(jù)林德公司提供數(shù)據(jù)計算該項目泵類負荷采用變頻控制在正常工況下每年可節(jié)省電能約1.0x107kWh（該數(shù)據(jù)為不計入后備系統(tǒng)所節(jié)省電能，因后備系統(tǒng)不常用）。

 

　　變頻調(diào)速技術的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60f（1-s）/p,（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過調(diào)節(jié)電動機工作電源頻率，同時調(diào)節(jié)輸入電壓，達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。我們使用的變頻器主要采用交―直―交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

 

　　由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）*H（壓力），而流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，得功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關系。例如：本項目一臺液氮內(nèi)壓縮泵75kW,當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，其單位小時內(nèi)的耗電量為75*（4/5）3=38.4KW?h,可省電（75-38.4）/75=48.8%,當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時，其單位小時內(nèi)的耗電量為75*（1/2）3=9.375KW?h,可省電（75-9.375）/75=87.5%.

 

　　無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，由公式P=S*COSФ，Q=S*SINФ，其中S-視在功率，P-有功功率，Q-無功功率，COSФ-功率因數(shù)，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵電機的功率因數(shù)在0.6-0.8之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，COSФ≈1,從而減少了無功損耗。

 

　　由于大容量電機直接啟動時，起動電流等于（4-7）倍額定電流，這樣會對機電設備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，起動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻調(diào)速裝置后，利用變頻器的軟起動功能將使起動電流從零開始，平滑的達到額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設備的維護費用。

 

　　對于本空分裝置項目風機、泵類設備采用變頻調(diào)速裝置后的節(jié)能效果，可以采用以下方式進行計算：

 

　　根據(jù)風機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負載關系式：P/P0=（n/n0）3計算，式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時的功率；P為轉(zhuǎn)速n時的功率。

 

　　以本項目一臺軸流風機160kW為例。運行工況以24小時連續(xù)運行，其中每天16小時運行在90%負荷（頻率按45Hz計算，擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按97%計算），8小時運行在50%負荷（頻率按25Hz計算，擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按72%計算），全年運行時間以333天為計算依據(jù)。

 

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