交流變頻調(diào)速技術(shù)在新河新副井凍結(jié)工程中的應(yīng)用

曹化春

（1.中煤特殊鑿井有限責任公司，安徽 合肥 230001；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室（淮北），安徽 淮北 235000）

交流變頻調(diào)速技術(shù)在新河新副井凍結(jié)工程中的應(yīng)用

曹化春1，2

（1.中煤特殊鑿井有限責任公司，安徽 合肥 230001；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室（淮北），安徽 淮北 235000）

交流電動機進行變頻調(diào)速控制，不僅能使電力拖動系統(tǒng)具有優(yōu)秀的控制性能，且在許多生產(chǎn)場合中，還具有非常顯著的節(jié)能效果。在耗能較高的凍結(jié)工程中引入并應(yīng)用了交流變頻調(diào)速技術(shù)，使用變頻調(diào)速控制技術(shù)比使用前，鹽水泵的節(jié)能介于31.1%～73.3%之間；轉(zhuǎn)速的減慢能減小了鹽水泵的磨損，提高了鹽水泵的使用壽命；同時對變頻調(diào)速控制技術(shù)在凍結(jié)工程鹽水泵應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和缺陷進行了分析和解決。

變頻技術(shù)；節(jié)能；鹽水泵；流量；耗電量

0 引言

隨著科學(xué)的發(fā)展，變頻器的應(yīng)用更加廣泛，從工業(yè)設(shè)備至家用電器都會使用到變頻器，可以說，只要有三相異步電動機的地方，就會有變頻器的存在[1]。使用變頻調(diào)速技術(shù)后，生產(chǎn)機械的控制精度可大幅度提高，較大幅度地提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，且能對諸多生產(chǎn)過程實施自動控制。通過大量的理論研究和實驗，人們認識到：對交流電動機進行調(diào)速控制，不僅能使電力拖動系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的控制性能，且在許多生產(chǎn)場合中，還具有非常顯著的節(jié)能效果。交流變頻調(diào)速技術(shù)在楊村風(fēng)井凍結(jié)工程試驗中節(jié)能區(qū)間為13%～67%[2]。在全國節(jié)能減排的大環(huán)境下，新河新建副井凍結(jié)工程對工程運轉(zhuǎn)心臟部位-鹽水泵上引入并應(yīng)用了交流變頻調(diào)速技術(shù)。

1 變頻技術(shù)節(jié)能的原理

交流調(diào)速技術(shù)自問世到現(xiàn)在，經(jīng)歷了幾十年的過程，先后出現(xiàn)了多種的交流調(diào)速方式，直到現(xiàn)在，一些調(diào)速方式依然繼續(xù)在一些生產(chǎn)過程中使用，如：異步電機變極調(diào)速、定子電壓調(diào)速及轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。三相交流電動機定于繞組中的三相交流電在定子氣隙圓周上產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱同步轉(zhuǎn)速，記為n0，實際電動機轉(zhuǎn)速n（此處為鹽水泵轉(zhuǎn)速）要低于同步轉(zhuǎn)速，故一般稱這樣的三相交流電動機為三相異步電動機。交流變頻調(diào)速的方式即為異步電機變頻調(diào)速，其基本原理如下[3]。

異步電動機的同步轉(zhuǎn)速遵從電機學(xué)基本關(guān)系：n0＝60f/p。

式中：f為電源交變頻率（HZ），我國工業(yè)頻率f為50Hz；p為電機定子磁極對數(shù)，取值見表1。

電機極對數(shù)的取值表 表1

電機學(xué)中還常用轉(zhuǎn)差率s參量，其定義為：s＝(n0-n)/n0。電機的實際轉(zhuǎn)速為n=（60f/p）（1-s）。

設(shè)定電機定子磁極對數(shù)P不變，調(diào)節(jié)頻率f，即可使同步轉(zhuǎn)速n0與實際轉(zhuǎn)速n得到調(diào)節(jié)，這就是變頻調(diào)速的原理。電機的實際轉(zhuǎn)速的公式直觀的表達了電動機轉(zhuǎn)速與供電頻率存在正比的關(guān)系，在鹽水泵運轉(zhuǎn)的過程中，電動機極數(shù)作為一個固定值，不會任意發(fā)生改變，尤其是在投入生產(chǎn)時，通過改變供電頻率，就可控制鹽水泵電動機轉(zhuǎn)速。一般供電頻率處于歸零狀態(tài)或不超過50Hz，常在這個范圍值上下浮動。因此，電動機轉(zhuǎn)速存在寬廣的調(diào)節(jié)空間，變頻器其實就是根據(jù)電動機電源頻率的改變來調(diào)節(jié)電機速度的，通過此種技術(shù)的運用，有助于實現(xiàn)鹽水泵電機性能的提高，是一種科學(xué)有效的調(diào)速技術(shù)[4]。

2 在新河新建副井凍結(jié)工程中的應(yīng)用

2.1 工程概述

淄博礦業(yè)集團新河煤礦新建副井立井工程使用凍結(jié)法鑿井，新建副井凈直徑6.5m，凍結(jié)深度245m，具體相關(guān)參數(shù)見表2。

新河煤礦新建副井井筒凍結(jié)工程相關(guān)參數(shù)表 表2

2.2 變頻控制柜的應(yīng)用

新河新建副井凍結(jié)工程將鹽水泵變頻器投入使用。調(diào)試前，將站內(nèi)運轉(zhuǎn)機組全部減載為0。停止鹽水泵及其對應(yīng)自耦變壓器啟動柜，切換到變頻控制柜，干管去路閥門全部打開，通過改變頻率的方式來改變鹽水泵的轉(zhuǎn)速，進而控制流量的大小。為安全起見頻率的范圍27Hz～45Hz之間，具體調(diào)試數(shù)據(jù)見表3。

由表2作圖1，由圖1可知：在鹽水泵閥門全開的情況下，使用變頻柜后鹽水泵的流量、進線電流與頻率幾乎呈正比關(guān)系。鹽水泵流量與頻率的擬合方程為Q=-49.66077+16.8349f，相關(guān)性系數(shù)為0.99958。進線電流與頻率的擬合方程為I=-125.58217+5.76006f，相關(guān)性系數(shù)為0.99468。相關(guān)系數(shù)趨近于1.0，表明上述兩組數(shù)據(jù)是可進行線性擬合的。

轉(zhuǎn)速控制方式下，由于在閥門開度不變的情況下，流量Q和轉(zhuǎn)速n是成正比的，比值Q/n不變。閥門開度不變的情況下，通過控制輸入頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量大小。由圖1（b）知：在一定條件下（新河新建副井凍結(jié)工程的鹽水干管去路頭部Ф325變徑Ф377，鹽水泵流量在408～702m3/h之間），頻率與電流幾乎呈線性關(guān)系（進線電壓不變）。這樣就解釋了為什么通過調(diào)節(jié)頻率大小來調(diào)節(jié)干管流量，進而可達到節(jié)電的目的。

使用自耦變壓器啟動柜時，是通過掩去路閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量，水泵的轉(zhuǎn)速是不變的。鹽水流量產(chǎn)生的能量消耗在掩上部分的閥門及管阻上，這就產(chǎn)生了電量的浪費。使用變頻控制柜，去路閥門全開，調(diào)節(jié)頻率來控制轉(zhuǎn)速，進而在管阻不變的前提下控制流量，減小電流，就達到了節(jié)能的目的。

2.3 經(jīng)濟效益分析

由表2得到：鹽水干管去路頭部Ф325變徑Ф377，鹽水泵流量在408～702m3/h之間時，使用變頻柜與未使用變頻柜的電流差值與未使用變頻控制柜的電流值比介于31.1%～73.3%之間。且根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可看出：流量越小，節(jié)電量就越大。后期維護凍結(jié)時，流量如再減小，還有不少節(jié)電的空間，收回成本的時間就會更短。

新河項目部用三相有功電表接在變壓器控制柜的低壓開關(guān)上，量測鹽水泵采用和不采用變頻控制柜時用電量情況。

①頻率34Hz，流量500m3/h，壓力0.2MPa，用變頻控制柜用電量為1031.6kW·h/d；

②流量不變情況下，使用自耦變壓器啟動柜的用電量為 2368.8kW·h/d。一天節(jié)電量為（2368.8-1031.6=1317.2）kW·h/d。使用變頻控制柜比自耦變壓器啟動柜的節(jié)電率為55.6%。

新河新副井變頻技術(shù)應(yīng)用參數(shù)記錄一覽表 表3

按照新河礦0.8元/度的用電收費標準，新河新副井凍結(jié)工程使用變頻控制柜直接節(jié)約電費為31612.8元/月。不到70d即可收回變頻控制柜的成本。轉(zhuǎn)速的減慢能減小鹽水泵部件（電機軸承、葉輪等）的磨損，減少鹽水泵的維修次數(shù)，進而提高鹽水泵的使用壽命；維修次數(shù)減少自然節(jié)約不少的人力和物力。

2.4 應(yīng)用中需注意的問題

該變頻柜型號為：JYSBPK-110，是針對新河凍結(jié)站使用的鹽水泵（300S-32，流量790m3/h，揚程32m，功率110kW）量身定做的。若鹽水泵型號改變，需定做相應(yīng)的變頻控制柜。同一功率的鹽水泵需對應(yīng)量身定做不同頻率的變頻控制柜。這是因為變頻器負載匹配問題會對變頻器負載產(chǎn)生一定影響的是電壓、電流、轉(zhuǎn)矩的匹配，電壓匹配要保證變頻器的額定電壓及其負載的額定電壓一致，電流匹配要保證變頻器的額定電流與電動機額定電流一致，根據(jù)生產(chǎn)機械設(shè)備的不同、性能的不同、工藝不同，轉(zhuǎn)矩特性也會發(fā)生變化，不同變頻器的負載類型，選擇不同的變頻器[5]。

圖1 使用變頻柜后鹽水泵的流量、進線電流與頻率之間的關(guān)系曲線及擬合方程

經(jīng)過調(diào)試和觀察，通過變頻控制柜調(diào)整流量的底線為25.05Hz，流量約410m3/h（鹽水干管去路頭部Ф325變徑Ф377，鹽水泵為110kW）。頻率小于25.05Hz時，鹽水泵電機不再轉(zhuǎn)動。這也是鹽水泵變頻柜在凍結(jié)法施工中使用時的一個弊端：不能無限減小鹽水的流量。

鹽水泵變頻柜安全無事故運轉(zhuǎn)180天，鹽水泵變頻控制柜連續(xù)兩天中午出現(xiàn)掉電故障。經(jīng)過排查，掉電原因為：變頻器內(nèi)部溫度過高。發(fā)熱問題變頻器在運作的過程中，會因為內(nèi)部元件消耗了能量，而產(chǎn)生較高的熱量，出現(xiàn)變頻器發(fā)熱現(xiàn)象。為有利于變頻器散熱，保證變頻器持續(xù)穩(wěn)定的運作，變頻器工作環(huán)境溫度應(yīng)控制在40℃以下，且不低于0℃[6]。實際施工中將變頻控制柜的后門拆除后進行通風(fēng)，安全無事故運轉(zhuǎn)至站內(nèi)停機。這也說明新河新建副井的鹽水泵變頻控制柜的通風(fēng)散熱設(shè)計需進一步改進。

3 結(jié)語

新河新建副井凍結(jié)工程鹽水泵變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用取得了較好的效果，這也是繼楊村煤礦風(fēng)井凍結(jié)工程鹽水泵變頻調(diào)速技術(shù)試驗后的第一次推廣應(yīng)用。鹽水泵變頻控制柜在使用中顯露了一些設(shè)計及技術(shù)本身的缺陷，但利遠大于弊。該變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用不僅帶來直觀的經(jīng)濟利益，且根據(jù)工況適當減慢轉(zhuǎn)速能減小鹽水泵部件的磨損，如電機軸承、葉輪等；減少鹽水泵的維修次數(shù)，進而提高鹽水泵的使用壽命；維修次數(shù)減少自然節(jié)約不少的人力和物力。變頻調(diào)速控制技術(shù)對我方凍結(jié)工程節(jié)約電能，減小工程成本有著積極的意義。同時該技術(shù)還可運用于凍結(jié)站內(nèi)的冷凝器風(fēng)機、清水泵等設(shè)備上。

[1]張源淳.三相異步電動機變頻調(diào)速及應(yīng)用[J].科技信息，2013(11)：132.

[2]李子祥，武勝男，王春玲.變頻技術(shù)在凍結(jié)工程中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)，2014，35（4）：31-33.

[3]杜金城.電器變頻器調(diào)速設(shè)計技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2001：1-3.

[4]劉云涌.分析油田生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用變頻技術(shù)節(jié)能效果[J].價值工程，2014，（15）：73-74.

[5]牟建，馬進，曹長義.高壓變頻技術(shù)在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的節(jié)能控制應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2014（3）：95-98.

[6]朱明杰.電器變頻器運作中的問題分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，（24）：112.

TU985.1

A

1007-7359（2016）06-0063-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.024

曹化春(1964-)，男，安徽濉溪人，高級工程師，主要從事特殊鑿井技術(shù)及施工管理工作。