煤氣機羅茨風機變頻改造的節電率分析

張廣軍

(江蘇晉煤恒盛化工股份有限公司)

煤氣機羅茨風機變頻改造的節電率分析

張廣軍

(江蘇晉煤恒盛化工股份有限公司)

結合調節閥計算和校核的相關知識，對煤氣機羅茨風機的變頻改造進行了節能分析，并對比了變頻改造前后輸入側電氣的計量結果，表明進行變頻改造后，羅茨風機的節電率大幅提高。

羅茨風機 煤氣機 節電率 變頻改造 節能分析

小氮肥行業固定床間歇式制氣工藝脫硫工段的煤氣機一般采用羅茨風機，系統壓力和流量調節大多為旁路副線調節方式，也就是說，已經被煤氣機做功升壓的煤氣通過副線調節閥降壓回到煤氣機入口，這勢必造成電能浪費，因此需對煤氣機的羅茨風機進行變頻改造。

生產機械的負載特性一般有3種類型：恒轉矩，恒功率，離心式風機和水泵(二次型負載[1])。風機、泵類設備的流量與其轉速的平方成正比，軸功率與其轉速的3次方成正比，因此節能空間大，適用于變頻節能技術[1～3]。

羅茨風機是一種定容式風機，風量基本不受風壓變化的影響，其最大特點是容積回轉特性，可近似認為風機所能達到的最大壓力與轉速無關，屬于恒壓設備。羅茨風機流量與轉速成正比，符合恒轉矩的負載特性，這使得羅茨風機作為穩定下一工段往復式壓縮機的入口壓力設備時，優于離心式風機。基于此，為避免電能浪費，筆者通過對現場實際工況進行計算，說明羅茨風機變頻改造的必要性和經濟性。

1 煤氣機電動機的參數

煤氣機電動機的參數如下：

型號 YAKK560-10

功率 560kW

電壓 10kV

定子電流 45.1A

轉速 594r/min

接法 Y形

功率因數 0.75

由于生產負荷調整，負荷降低導致電機的有功功率一度運行在380kW，此時無功功率為411kVar，功率因數cosΦ=0.68。因此，為適應負荷調整的要求，對煤氣機的羅茨風機進行變頻改造，并進行論證分析。

2 煤氣機變頻改造的計算分析

2.1 節電率計算

文獻[4]對羅茨風機的變頻改造進行了節能分析，節電率α的計算式為：

α=1-Dy2/(Dy2+KpDp2)

式中 Dp——排風管(副線調節閥)的管徑，mm；

Dy——羅茨風機輸出管的管徑，mm；

Kp——排放管(副線調節閥)的閥門開度，%。

根據現場實際數據，Dy=800mm、Dp=200mm、Kp=50%，得到節電率為3%。顯然，以如此低的節電率進行變頻改造是沒有說服力的。

2.2 副線調節閥的相關計算

副線調節閥的數據包括：套筒型，通徑DN200mm，PN1.6mm，工作溫度Tn=40℃，閥前壓力p1=150kPa，閥后壓力p2=105kPa，圓整后的流量系數Kv′=600，流量特性為線性，可調比R=30。

文獻[5]中，非阻塞流流量系數Kv的計算式為：

(1)

式中 Qg——氣體標準體積流量，Nm3/h；

T1——閥門入口氣體的絕對溫度，T1=313K；

X——壓差比，X=(p1-p2)/p1=(150-105)/150=0.3；

y——膨脹系數，y=0.85；

Z——壓縮系數，Z=1.2；

ρN——氣體在標準狀態(273K，101.3kPa)下的密度，kg/Nm3。

代入以上數據，得到：

Kv=0.044Qg

(2)

調節閥放大系數m為：

m=R/[(1/L)(R-1)+1]=1.94

(3)

m=Kv′/Kv計

(4)

Kv計=600/1.94=309.3

式中 Kv計——不同開度下的計算流量系數；

1/L——相對行程，即開度，調整生產負荷時1/L=50%。

當開度為50%時，通過副線調節閥的氣體量，由式(2)可得：

Qg=309.3/0.044=7030Nm3/h

轉換成實際工況后，Qg=5443Nm3/h。

根據文獻[6]，羅茨風機消耗的電功率Pw為：

Pw=pQ/η

(5)

式中 p——風機出口風壓，實際工況下p=50kPa；

Q——風量，m3/s；

η——風機效率，η=60%。

根據式(5)，通過副線調節閥的氣體量折算電動機的功率為：

Pw=50×5443/3600/0.6=126kW

則α=126/560×100%=0.223×100%=22.3%。

3 變頻改造前后輸入側電氣計量結果

變頻改造前后輸入側電氣計量結果見表1。

表1 變頻改造前后輸入側電氣計量結果

羅茨風機變頻改造前后的有功功率差ΔP=380-210=170kW，變頻器自身損耗2%，實際節省的電功率為170×98%=166.6kW，實際節電率為166.6/560×100%=0.298×100%=29.8%。改造后的功率因數cosΦ=0.97，無功功率52.6kVar，遠小于改造前的411kVar。

生產負荷的調整是化工生產經濟運行經常面臨的問題，盡管可以采用更換低功率電機等其他方法，但對于如此高的節電率，變頻技術在節能和調整負荷方面是具有顯著優勢的。

4 結束語

此次對煤氣機羅茨風機進行變頻改造后，提高了功率因數，降低了無功功率，提高了節電率。同時，羅茨風機實現了軟啟動，減少了對電網的沖擊。轉速降低后，電機和風機的使用壽命得以延長。變頻器投入運行后，副線調節閥關閉，節電效果與變頻改造后電機輸入側電度計量較為接近。

[1] 高兆益.變頻調速技術在化工企業節能技術中的應用[J].化工自動化及儀表,2012,39(6):814～816.

[2] 許春清,周靜,張蘭婷,等.變頻器“一拖四”控制方案在長輸輸油管道中的應用[J].石油化工自動化,2016,52(2):29～32.

[3] 陳居現,盧崢,許志成.儀化熱電廠吸風機高壓變頻調速節能改造設計[J].化工自動化及儀表,2011,38(9):1158～1161.

[4] 馮東升,張金輝,張智華.羅茨風機的變頻改造節能分析[J].電機與控制應用,2010,37(8):43～46.

[5] 吳國熙.調節閥使用與維修[M].北京:化學工業出版社,2008:67～119.

[6] 季若庸.羅茨風機風壓和電機功率的選擇[J].中國鑄造裝備與技術,1996,(6):41～42.

張廣軍(1969-)，工程師，從事化肥廠電氣、儀表的管理工作，zhanguangjun@21cn.com。

TH444

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1000-3932(2017)05-0507-02

2016-11-25，

2016-12-22)