高壓電機節(jié)能改造

孟金甫，李曉寧，張文敬，孫全成

（河南神馬氯堿發(fā)展有限責任公司，河南 平頂山 467242）

高壓電機節(jié)能改造

孟金甫，李曉寧，張文敬，孫全成

（河南神馬氯堿發(fā)展有限責任公司，河南 平頂山 467242）

對30萬t/a PVC工程中PVC循環(huán)水泵、一次風機、引風機的現(xiàn)狀和節(jié)能措施進行了分析，總結(jié)出3臺高壓電機變頻器節(jié)能改造的必要性，節(jié)電優(yōu)化效果分析，提出了變頻改造的技術(shù)方案。

高壓變頻節(jié)能；運行現(xiàn)狀；效果分析；方案

1 PVC循環(huán)水泵、一次風機、引風機等高壓電機運行現(xiàn)狀

1.1 PVC循環(huán)水泵

河南神馬氯堿發(fā)展有限責任公司PVC區(qū)主要熱量來源是聚合釜，冷卻水系統(tǒng)主要是10 kV循環(huán)水泵（3臺900 kW和2臺400 kW高壓電機），根據(jù)工藝要求，運行循環(huán)水壓力不能低于0.5 MPa。正常情況下有3臺循環(huán)水泵運行 （2臺900 kW和1臺400 kW），當聚合釜產(chǎn)生的熱量少時，循環(huán)水壓力超過0.62 MPa時，停1臺高壓泵，有可能壓力不會滿足要求，必須靠調(diào)節(jié)回流閥來調(diào)節(jié)壓力。靠調(diào)節(jié)回流閥來調(diào)節(jié)壓力，就會形成高壓泵開的臺數(shù)少時壓力不夠，高壓循環(huán)水泵開的臺數(shù)多時造成大量電能的浪費。依靠人工調(diào)整進出閥門的開度，閥門線性差，調(diào)節(jié)延遲，會造成出水壓力和流量變化大、不穩(wěn)定等現(xiàn)象，給生產(chǎn)系統(tǒng)安全及工藝控制造成較大壓力。水壓高時，經(jīng)常損壞密封墊，漏水造成水資源浪費，且維修工作量大，物料消耗多，備品備件計劃不易掌握，增加生產(chǎn)成本。

1.2 一次風機和引風機

此2臺風機為2009年12月投運，投運以來多次出現(xiàn)電機過負荷，多次檢查認為原因為現(xiàn)場風門開度太大，現(xiàn)場的擋板風門調(diào)節(jié)精確度太低，加之工藝條件時刻變化，操作人員也很難控制到良好狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程不平滑、不靈活、不可靠，同時，調(diào)節(jié)延遲，不能及時滿足工藝變化要求。風門調(diào)節(jié)的過大，雖然

滿足了工藝的要求，安全上卻帶來了較大的隱患，長時間造成電機過負荷，電機過熱，甚至電機絕緣擊穿沖擊電網(wǎng)，加上設(shè)備的能耗浪費較大，迫切需要變頻改造。

2 變頻改造效果分析

通常設(shè)備是根據(jù)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大負荷條件，即最大流量進行選擇的。而實際生產(chǎn)需要的流量往往比設(shè)計的最大流量要小，為此常常通過調(diào)節(jié)風門的方式來控制，結(jié)果在風門上造成很大的節(jié)流損耗。當采用電機調(diào)速時，可以按需要升降電機轉(zhuǎn)速，改變風機的性能曲線，使風機的參數(shù)滿足工藝要求。根據(jù)風機的相似定律，變速前后風量、風壓、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

Q1/Q2=N1/N2；

H1/H2=（N1/N2）2；

P1/P2=（N1/N2）3。

Q1、H1、P1—風機在N1轉(zhuǎn)速時的風量、風壓、功率；

Q2、H2、P2—風機在 N2轉(zhuǎn)速時相似工況下的風量、風壓、功率。

假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：N2/N1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達到節(jié)能的目的。當轉(zhuǎn)速由N1降為N2時，風機的額定工作參數(shù)Q、H、P都降低了。但從效率曲線看，Q2與Q1點的效率值基本是一樣的。也就是說當轉(zhuǎn)速降低時，額定工作參數(shù)相應降低，但效率不會降低，有時甚至會提高。因此在滿足操作要求的前提下，風機仍能在同樣甚至更高的效率下工作，風機和泵類設(shè)備不同變量方式的功耗對比表見表1。

表1 風機和泵類設(shè)備不同變量方式的功耗對比表

由以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果，結(jié)合目前調(diào)速技術(shù)的發(fā)展情況，在滿足工藝生產(chǎn)要求的條件下，調(diào)速設(shè)備改造方案在比較了設(shè)備投資費用、節(jié)電效果，安全性及可靠性等其他方面后，可以通過變頻調(diào)節(jié)來自動滿足工藝要求，并降低損耗。

3 變頻節(jié)能改造的效果分析

3.1 直接經(jīng)濟效益

3.1.1 PVC循環(huán)水泵（900 kW）

（1）水泵銘牌參數(shù)

流量：4 200 m3/H；揚程：56 m；軸功率：772 kW。

（2）電機銘牌參數(shù)

額定電流：67.5 A；轉(zhuǎn)速：745 RMP；額定電壓：10 kV。

運行狀況：電機實際電流52 A，管道出口壓力5.3~5.8 kg。

（3）變頻節(jié)能計算

目前電機實際消耗功率：1.732×10 kV×52 A× 0.88=792.5（kW）；

變頻后恒定供水壓力為5.5 kg左右，根據(jù)公式變頻后實際消耗功率：（5.5/5.8）1.5×792.5 kW/0.98= 746（kW）；

每小時節(jié)電：792.5 kW-746 kW=46.5（kW·h）；

每年節(jié)電：46.5×7 920 h=36.8萬（kW·h）。

（4）改造方法

PVC區(qū)循環(huán)水出口總管上加裝壓力變送器，壓力變送器送給變頻器4~20 mA模擬信號，代表管道壓力，再與變頻器上設(shè)定壓力進行比較，變頻器實施恒壓控制，風機各調(diào)節(jié)方式的能耗流量曲線見圖1。

圖1 風機各調(diào)節(jié)方式的能耗-流量曲線

3.1.2 引風機（560 kW）

電機銘牌參數(shù)：額定電流43.8 A；PF 0.86額定電壓10 kV。

風機的額定消耗功率為：560kW×0.8=448kW。

由于風門開度平均為60%，電機實際電流28 A，故實際流量約為額定流量的80%，從圖1查出變頻調(diào)速時消耗的額定功率為54%，而葉片調(diào)節(jié)消耗額定功率的75%，因此變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約21%的額定消耗功率。也即是說變頻時每小時節(jié)約448×21%= 94（kW），全年按運行7 920 h，年節(jié)省電度為：94× 7 920=74.4（萬kW·h）。

3.1.3 一次風機（250 kW）

離心風機銘牌參數(shù)為：

流量：47 000 m3/h；壓力：12 000 Pa。

電機銘牌參數(shù)：

額定電流：19.5 A；PF：0.85；額定電壓：10 kV。

通過公式P=H（KP）×Q（m3/h）/3 600/0.8=12× 47 000/3 600/0.8計算風機的實際軸功率為195.8（kW），而風機的額定消耗功率為：P額=P軸/η電機。而η電機=P電機/（1.732×I額×U額×0.85）=0.87，所以P額= 225（kW）。

閥門開度平均為55%，電機實際電流15 A，故實際流量約為額定流量的70%，從上圖查出變頻調(diào)速時消耗的額定功率為36%，而葉片調(diào)節(jié)消耗額定功率的63%，因此變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約27%的額定消耗功率。也即是說變頻時每小時節(jié)約225×27%= 60（kW），全年按運行7 920 h，年節(jié)省電度為：60× 7 920=47.5（萬kW·h）。

4 變頻改造的技術(shù)方案

4.1 循環(huán)水泵高壓變頻改造方案

為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝手動隔離刀閘裝置，保證主回路上有明顯的斷開點。變頻器異常時，變頻器不能正常運行，電機可以切換到工頻運行狀態(tài)下運行，以保證生產(chǎn)的需要；其一次回路圖和電纜接線分別見圖2和圖3。

圖2 循環(huán)水泵一次回路圖

圖3 水泵變頻改造外部電纜接線示意圖

說明：

a.QF1、QF2、QF3為斷路器，分別為變頻器、電機1和電機2供電；

b.K1、K2為真空接觸器，用于自動切換；

c.QS1、QS2為隔離開關(guān)，用于安全隔離；

d.K1、K2互鎖，QF1、K1互鎖，QF3、K2互鎖；

e.電機甲變頻運行、電機乙備用時的開關(guān)狀態(tài)：QF2、QS1、K1、QF3閉合，QF1、QS2、K2斷開。電機甲變

頻故障：K1斷開，QF1自動合閘，電機甲工頻運行。

4.2 風機變頻改造技術(shù)方案

為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置。變頻器異常時，變頻器不能正常運行，電機可以自動切換到工頻運行狀態(tài)下運行，以保證生產(chǎn)的需要，其一次回路圖和電纜接線分別見圖4和圖5。

圖4 風機一次回路圖

圖5 風機變頻改造外部電纜接線示意圖

說明：設(shè)備內(nèi)安裝3個真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和2個刀閘隔離開關(guān)QS1、QS2；

a.KM2與KM3實現(xiàn)電氣互鎖，當KM1、KM2和QS1、QS2閉合，KM3斷開時，電機變頻運行；

b.當KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機工頻運行。另外，KM1閉合時，QS1操作手柄被鎖死，不能操作；

c.KM2閉合時，QS2操作手柄被鎖死，不能操作；

d.電機工頻運行時，若需對變頻器進行故障處理或維護，切記在KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘QS1和QS2斷開。

4.3 二次回路控制方式

變頻器采用2種操作控制方式。

（1）本地控制：從變頻器操作界面控制電機的啟動和停機，并能完成變頻器的所有控制；

（2）遠程控制（現(xiàn)場操作柱）：通過內(nèi)置接口板接受來自現(xiàn)場的開關(guān)量控制。

4.4 速度設(shè)置方式（或閉環(huán)運行時的給定方式）

變頻器有多種速度設(shè)置方式，在閉環(huán)運行時，速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式。

（1）本地設(shè)置：通過操作屏設(shè)置運行頻率；

（2）模擬設(shè)置：接收4~20 mA模擬信號設(shè)置運行頻率或被控量給定值；

（3）通訊設(shè)置：通過通訊方式接收來自控制系給定運行頻率或被控量給定值；

（4）多檔設(shè)置：通過開關(guān)量設(shè)置多檔運行速度或被控量給定值；

（5）閉環(huán)調(diào)節(jié)：由PID自動設(shè)置運行頻率。

風機調(diào)速采用DCS遠控，即根據(jù)生產(chǎn)需要，DCS輸出4~20 mA調(diào)速信號至變頻器，變頻器接收到DCS 4~20 mA信號進行實時調(diào)節(jié)；循環(huán)水泵調(diào)速采用PID閉環(huán)頻率調(diào)節(jié)完成，根據(jù)管道壓力反饋和壓力的設(shè)定值進行實時調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

通過對高壓電機的變頻器改造，解決了該公司PVC區(qū)冷卻水系統(tǒng)壓力不穩(wěn)問題、解決風機投運以來多次出現(xiàn)電機過負荷問題，對系統(tǒng)進行了優(yōu)化，節(jié)約電能明顯，同時改善了電機的啟動性能，減少電網(wǎng)沖擊，電機采用變頻器靜態(tài)啟動，運行人員通過緩慢提升轉(zhuǎn)速至工作范圍，最大起動電流約為0.8倍，避開了電機4~7倍的啟動電流，轉(zhuǎn)速、力矩平穩(wěn)上升，減少對電網(wǎng)沖擊，減少機械震動，噪音和磨損，提高了運行的可靠性，延長了機械壽命，變頻調(diào)速時，升降轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，慣性噪音降到最低。

Energy saving reformation of high voltage motor

MENG Jin-fu，LI Xiao-ning，ZHANG Wen-jing，SUN Quan-cheng
（Henan Shenma chlor alkali development Co.，Ltd.，Pingdingshan 467242，China）

The present situation and the energy saving measures of 300kt/a PVC circulating water pump，blower，induced draft fan were analyzed，the energy-saving reformation necessity of 3 hp motor inverter were summarized，the optimization effect analysis of energy saving were analyzed and the technical scheme of high frequency conversion transformation were put forward.

high voltage frequency conversion and energy saving；operation status；effect analysis；scheme

TQ051.21

B

1009－1785(2015)06-0040-04

2014-09-02