工業變頻泵改造及應用探討

楊海濤

摘要：本文通過合成氨裝置冷氨泵及液氨泵變頻改造兩個實際案例分析變頻器在節能降耗方面的應用成果；討論變頻改造過程中在工藝、機械、電氣方面的優缺點，并給出具體建議；計算分析變頻器在運行過程中產生的諧波分量對供電質量的影響。提出增加有源濾波裝置優化電網質量的解決方案。

關鍵詞：氨泵：節能降耗；電壓諧波畸變率；電流諧波畸變率；有源濾波器

1引言

隨著變頻技術的高速發展，其在工業中的應用也越來越廣泛，尤其是在風機、泵類設備中的應用。本文重點討論變頻器在金新化工合成裝置氨泵上的應用案例，分析變頻器在節能降耗方面的應用成果，探討變頻技術對電動機，電網所產生的不良影響以及后續的應對措施。

2變頻器

2.1變頻器的組成

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電動機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流單元、中間電路、逆變單元及控制電路等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據工藝的實際需要來提供電動機所需要的電源電壓，進而達到調速、節能的目的。

變頻器的主要組成部分及控制原理如圖1所示：

2.2變頻器的調速原理電動機調速的基本原理基于以下公式：

公式中：

n—異步電機轉速；

s—為異步電機轉差率；

f—電動機定子供電電源頻率（Hz）；

P—電動機磁極對數；

根據公式（1）可看出，改變電動機轉速的方法有三種：一是改變轉差率s，二是改變電動機磁極對數p，三是改變電源頻率f。三個參數中轉差率和磁極對數是電動機的固有特性，運行過程中改變有困難，因此改變頻率為最好的電動機調速方法。

從上述公式（1）中得到，在轉差率和極對數不變的前提下，電源頻率增加，實際轉速就增高；電源頻率降低，實際轉速也相應下降。這種通過改變電源頻率來進行轉速調節的過程稱為變頻調速。

3變頻器的節能作用原理

在工業生產中，對風機、離心泵等設備常用的控制方法是調節入口或出口的擋板、閥門開度大小來調節給風量或給液量，不論生產的實際需求有多大，電機仍按照設計的額定轉速和頻率運轉，大量的電能消耗在擋板、閥門的節流過程中。由流體傳輸設備的的工作原理可知：離心泵、風機的流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率等于流量與壓力的乘積。因此，離心泵、風機類設備的功率與轉速的三次方成正比。

下面對變頻調速節能原理具體分析：

圖2中離心泵、風機特性曲線1與管路特性曲線2相交于A點，此時流量為Q1，揚程為H1，若要將流量由Q1調節至Q2，主要有兩種方法：一是調節閥門開度，二是改變泵或風機轉速即改變電動機轉速。若要改變揚程或壓力，同理。下面以改變流量這一參數進行介紹。

若采用改變閥門開度的控制方式，管路特性曲線由2變為3，與泵的特性曲線交于B點，此時功率p1相當于0H2BQ2所包圍的面積。

若采用變頻控制方式，將風機轉速由N1降到N2，則泵或風機的特性曲線由1變為4，與不進行閥門調節的管路特性曲線交于C點，功率為P2相當于0H3CQ2所包圍的面積。

可見，在同樣滿足流量Q2的前提下，采用變頻調速技術，功率將顯著減少，揚程也大幅降低，節省的功率ΔP=ΔHQ2與面積BH2H3C成正比，可見節能的效果是十分明顯的。

4變頻改造的優缺點分析

4.1優點分析

4.1.1改造前泵出口及回流管線壓力為3.4Mpa，管線震動大，且流通介質為高危險性的液氨，存在管道焊口泄漏的安全隱患。經過此次技術改造，在滿足工藝參數要求的前提下，降低出口壓力至2.1Mpa，使得管線振動減小，消除了安全隱患。

4.1.2經改造后，按照當前裝置運行模式，設備年運行時間按260天計算，平均年節約電量約為（w5+w6）×260=558922 kW·h，折合電費252074元，一年內收回投資成本，大大降低了生產成本，值得在其他設備上推廣。

4.1.3該液氨輸送泵為立式多級離心泵，采用機械密封，且長時間運行，加之液氨的腐蝕性較強，多次出現機封損壞，液氨泄漏現象，對生產影響度高，且維修難度較大，經技術改造后，降低了設備的運行轉速，從而降低了機械密封的損壞頻率。據統計，在未改造前，兩臺液氨泵機械密封共損壞過3次，自技術改造后，未出現過機械密封損壞現象。

4.2缺點分析

4.2.1由于屬技術改造工程，電動機原來配置為非變頻電動機，本次改造未對電動機進行更換，在變頻運行時，頻率改變相當于對電動機定子線圈施加很大的陡坡沖擊電壓，使電動機的匝間絕緣承受嚴酷考驗，加速電動機老化，使電動機的使用壽命受到影響。

4.2.2變頻器在逆變過程中會產生高次諧波，使配電系統高次諧波含量增加，如諧波含量超過允許限值，則會產生電能質量下降，電動機損耗升高，電力電纜壽命降低等影響。

5、后續改進措施

5.1電動機上的改進

考慮后續將非變頻電機更換為變頻電機，上述兩個案例中的冷氨泵和液氨泵均按一開一備設計，本次改造中只改造了一臺，另外一臺仍采用非變頻運行方式備用，按照當前不更換電動機的模式，即使在電動機受頻率改變影響使電動機損壞的情況下，仍有備用設備可用，不影響裝置的穩定運行。另外，考慮到變頻改造節能的空間，可在5年電動機絕緣影響較大的時期對電動機進行更換，更換一臺電動機成本約為4.5萬元，單臺變頻改造項目半年節約的成本即可滿足更換電動機的相應費用。由此分析，在對電動機進行更換的情況下節能降耗空間仍較大。

5.2諧波抑制方面的改進

考慮后續在變頻器上采取諧波抑制措施，裝設有源濾波器。電源諧波抑制方法主要有裝設無源濾波器和有源濾波器兩種，但是無源濾波器補充特性受電網阻抗，頻率和運行狀態的影響，諧波抑制效果不夠理想，只能起到某幾次固定頻率諧波的抑制效果。目前，上述的變頻改造方案中已配置無源濾波器（輸入及輸出電抗器），但諧波抑制效果不明顯。隨著電子電路的高速發展，有源濾波器得到了廣泛的應用，其輸入阻抗高，輸出阻抗極低，因而具有良好的隔離性能，對抑制電源諧波效果更為明顯。因此為進一步降低合成低壓配電室諧波畸變率，后續考慮在變頻器上裝設有源濾波器，從而達到改善電網質量的目的。

6結論分析

通過對上述兩個案例的總結，以及通過改造完成后的理論計算分析過程，可得出如下結論：

6.1變頻技術在化工工藝上有很好的應用，在化工行業較值得推廣，變頻技術能夠通過調節電動機的轉速進行負載調節，從而達到工藝優化、精確控制的目的。

6.2變頻改造技術在節能降耗方面應用效果較好，特別是在通過閥門開度調節介質流量的設備上，節能效果較明顯。兩臺設備一年內可節約電量558922 kW·h。