變頻器在冷卻塔風機上的應用

王桂英，任佩佳

（中國寰球工程公司 遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

變頻器在冷卻塔風機上的應用

王桂英，任佩佳

（中國寰球工程公司 遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

通過對煉廠以前大多數機泵都采用流量控制和節流控制，經過生產實踐，不論是變極調速、可控硅串極調速、電機滑差離合器調速等都不能達到理想的調速性能，隨著電子技術的飛速發展，為解決上述存在的問題，煉廠普遍采用變頻調速技術。系統地提出了變頻調速控制原理、變頻器容量設計選擇、變頻器應用及效益，為變頻器設計提供借鑒。

變頻器；冷卻塔風機；節能；應用

隨著企業生產力的不斷發展及科學技術的不斷提高，人們在現階段的生產當中不在滿足于把生產裝置如何能夠更好的運行起來，而是考慮到如何生產出高質量的產品，并且節能降耗、少投入、多產出，實現良好的經濟效益。

對于煉廠以前大多數機泵都采用流量控制方案和節流控制。此方案在煉廠中應用的如何呢？根據有關資料統計，就煉廠而言，機泵耗電一般占煉廠用電的80%左右，煉油企業全國平均原油加工負荷不到70%，運行中的機泵負荷一般只有40%～50%，負荷率低于40%[1]的機泵占20%左右，由于機泵負荷經常變化，所以只好靠出口閥門節流調節流量，這不僅損失了相當數量的功率，而且產生了高分貝的噪音，降低了設備的密封性，影響了裝置安全、穩定、長期運行。

所以改變交流電機的調速性能一直是人們非常關心的課題，經過生產實踐，不論是變極調速、可控硅串極調速、電機滑差離合器調速]等都不能達到理想的調速性能[2]。

進入20世紀80年代，隨著電子技術的飛速發展，為解決上述存在的問題，煉廠普遍采用變頻調速技術。變頻調速技術是電力技術、微電子技術、控制技術高度發展，緊密結合的產物，是目前電機節電的最佳技術，使用變頻調速器，通過調節電機轉速達到控制流量的目的，在滿足生產工藝閉環控制要求的同時，消除或大大減少閥門和擋板截流損失，從而達到節能和滿足生產工藝要求的目的。

交流變頻調速裝置，在頻率范圍動態響應、調速精度、低頻轉距、輸出性能、功率因數、工作效率等方面都發揮了交流調速的優點，而且很好地解決了電機調速性能不好的缺點[2]。

1 變頻調速原理

變頻調速是一種高效率、高性能的調速方式，采用異步電動機（或同步機），使其在整個工作范圍內保持在正常的小轉差率下運轉，實現無極平滑調速。由公式n = 60f/p（1-s）[2]，其中n： 交流電動機轉速，f： 電源頻率，p：電機極數，s：轉差率（同步電動機時，s=0）可知，當轉差率s不變時，交流電動機的轉速與電源頻率成正比變化[2]。這樣電機的旋轉速度就可以被自由的控制，因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機調速設備的首選設備。

2 變頻調速器的容量選擇

相對于電機來說，變頻調速器的價格比較貴的，因此在保證安全可靠運行的前提下，合理地降低變頻調速器的容量以節省費用是很必要的。

為了保證在任何情況下變頻器均能正常運行，考慮到通用性變頻器生產廠家要求選用變頻器的功率應大于或等于電動機額定功率的1.1倍。這一規定不大符合石化企業的具體情況，留有余量太大，煉油生產裝置的許多機泵原設計就留有裕量，用調節閥控制時電機的負荷率就不高，采用變頻調速后調節閥兩端的壓差損失可節省下來，機泵消耗功率將變得更小，變頻調速器的容量有可能不按電機的額定容量來選擇。

3 風機和泵的調速節能原理

圖1,2中，橫坐標是流量Q；縱坐標是壓力H；曲線I是風機水泵額定運行狀態下的特性曲線；曲線II是風機水泵在變速運行狀態下的特性曲線；曲線III是風道或管網在風門或節門全開情況下的阻力特性曲線；曲線IV是調節風門或節門的阻力特性曲線[2]。

圖1 風機運行及節能曲線Fig. 1 The fan running and energy saving curve

圖1 和圖2的不同點是阻力曲線的起點，風機系統的風阻曲線是從原點O開始，泵系統的阻力曲線是從原點以上的水泵系統靜揚程H0點開始的。

在不調速的額定流量Q1運行情況下，系統的工作點是A點，壓力是H1。電動機提供的功率是長方形P1=OQ1AH1的面積。

當流量需求是Q2時，由于電動機是不調速的，故工作點還要在曲線I上，解決的方法就是調節風門或節門，使阻力曲線由III變為曲線IV，系統工作點為B，壓力是H2。電動機提供的功率是長方形P2=OQ2BH2的面積。

圖2 泵運行及節能曲線Fig. 2 The pump running and energy saving curve

比較P1和P2可以看到，流量的減少是靠風門或節門將壓力提高了來完成的，因而，兩者的功率消耗相差無幾。

如果使用調速運行的方法來調節，就是讓風機或泵系統運行在特性曲線II上，而風門或節門還是額定運行時的全開狀態，即阻力曲線仍然是曲線III，這時，系統工作點在C ，壓力是H3。電動機提供的功率是P3=OQ2CH3。

比較P3和P1可以看到，功率降低很多。P1和P3的差值就是節約的能量。

對單機運行(單風機或單泵)，可以利用上述原理計算節能。

4 變頻器在冷卻塔風機上節能應用

在循環水場工程項目設計中，冷卻塔風機額定容量為200 kW，共2臺采用變頻調速控制[3]。

廠里未給出流量變化范圍，故按流量在70%～100%之間變化來計算。

全速運行，調節節門時使用的電量W：

每kWh按0.5元計算，年用電費：

變速運行時：

設流量70%運行100 d；85%流量運行160 d；100%流量運行100 d。

風機年使用的電量W：

年用電費：0.5×1 878 720=939 360元和連續全速運行時相比，節約電費：

年節電費788 640元，考慮靜差等因素，年節電費在79萬元以上。

5 效 益

從上面的計算可以看到，裝置在采用變速運行后，節電效益非常顯著，變頻器的初投資用1～2 a的時間就可以從節約的電能中回收回來。投資成本回收后，以后每年節約的電費就都是企業的凈收益。

變頻前噪音一般在87～100.3 dB，變頻后一般在86 dB以下，可見噪音顯著減少，改善了環境。

從近到遠足以證明，變頻調速器在煉油企業的生產中發揮了顯著的節電作用。

變頻調速還有一個最佳方案，可以采用“一拖二”的變頻方式，以減少投資。所謂“一拖二”的變頻方式，是指用一臺變頻器供兩臺互為備用的電機間歇使用，或者帶動主泵或者帶動備用泵，變頻器的容量僅根據一臺電動機功率選定。在滿足生產要求的前提下，對允許停泵的機泵采用“一拖二”的變頻方案。

6 結束語

總之，變頻調速用于煉油廠生產中，不產生廢水、廢氣、廢渣等有害物質。并且，由于電機和泵都處于輕載狀態，使得機械元件損壞率下降，雖然變頻調速對電網產生一些高次諧波，但加入電抗器后，能保證將諧波減少到不影響電網運行的標準。盡管變頻調速器有許多優點，但也它的不足之處，由于國產的變頻調速器元件質量還不過關，產品使用壽命不能滿足煉油企業的生產需求，而國外的產品價格又高。

近幾年來，國內引進了國外的先進技術和先進元器件，使其性能完全達到了國外相同產品的水平，但是，大功率的變頻調速器目前還需要國外進口，所以一直尚未在煉油企業推廣開。

總體來看，變頻調速器的實施從全國來看是勢在必行，早上早受益，而且它的效益遠不僅是節能，其綜合效益是無法估量的，特別是在煉油企業更有遠大的發展遠景。

［1］中國航空工業規劃設計研究院組.工業與民用配電設計手冊:第三冊[M]. 北京：中國電力出版社，2005-05.

［2］浦文宗. 注冊電氣工程師執業資格考試專業考試復習指導書:供配電專業:第三冊[M] .北京：中國電力出版社，2004-04.

［3］GBT21056-2007風機泵類負載變頻調速節電傳動系統及其應用技術條件[S]. 中國標準出版社.

Application of the Frequency Converter in Cooling Tower Fan

WANG Gui-ying，REN Pei-jia
（HQC Liaoning Company, Liaoning Fushun 113006, China）

Most pumps in the refinery were used under flow control and throttle control before. In the production practice, pole-changing control, SCR-cascade control and motor slip clutch speed regulation all can’t achieve an ideal speed governing performance. With the rapid development of electronic technology, frequency control of motor speed is generally applied to solve the problems above in the modern refineries. In this paper, the principle of frequency control of motor speed was introduced, how to choose suitable frequency converter capacity was discussed, and application effect of the frequency converter was analyzed, which could provide the reference for the frequency converter design.

Frequency converter; Cooling tower fan; Energy saving; Application

TN 77

M

1671-0460（2015）01-0178-03

2014-10-25

王桂英（1962-），女，工程師，遼寧撫順人，1989年畢業于撫礦工學院電氣自動化專業，主要從事電氣自動化專業設計。E-mail：wangguiying@hqcec.com。