密煉機(jī)主機(jī)變頻節(jié)能改造

李海峰，陸林，劉貴鵬

(樺林佳通輪胎有限公司，黑龍江 牡丹江 157032)

密煉機(jī)是輪胎行業(yè)煉膠生產(chǎn)中一種對過載和穩(wěn)速精度要求較高的重要設(shè)備。目前的密煉機(jī)電機(jī)驅(qū)動中，主要以直流調(diào)速及交流電機(jī)為主，直流電機(jī)在炭黑環(huán)境中工作，如果維護(hù)不及時很容易影響其絕緣性能，從而導(dǎo)致故障率增高、維修費(fèi)用大，這樣無形中以增加用戶直流電機(jī)的維護(hù)量。另外電網(wǎng)電源和直流裝置的電源等級不一致，需要用戶自配一臺變壓器，對于電網(wǎng)要求嚴(yán)格的用戶還需要自備功率補(bǔ)償及濾波裝置。而交流電機(jī)為了避免設(shè)備的頻繁啟動對電網(wǎng)和設(shè)備造成的沖擊，設(shè)備不停車，電機(jī)工頻運(yùn)行。這樣的話會造成大量的電能浪費(fèi)。

隨著輪胎行業(yè)對節(jié)能與效率方面各種高標(biāo)準(zhǔn)的提出，對耗能大戶——密煉機(jī)的性能和能耗提出更高要求，現(xiàn)直流調(diào)速與交流電機(jī)不能滿足客戶需求，更節(jié)能更安全的交流變頻系統(tǒng)越來越受到密煉機(jī)用戶的青睞。

1 可以量化的節(jié)能效果

由于將主電機(jī)更換為變頻電機(jī)（變頻就是改變供電頻率，從而調(diào)節(jié)負(fù)載，起到降低功耗，減小損耗，延長設(shè)備使用壽命等作用）。相比現(xiàn)有工頻電機(jī)，交流變頻電機(jī)非常省電，因?yàn)樽冾l器提高了用電的功率因數(shù)（變頻器是通過交流—直流的電源變換后對異步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的,所以電源的功率因數(shù)不受電動機(jī)功率因數(shù)的影響,幾乎為定值），引用公式P=UI×cosΦ（P=功率/U=電壓/I=電流/cosΦ=功率因數(shù)），功率因數(shù)提高的同時，有功功率也就提高了。

變頻節(jié)能主要為“提高功率因數(shù)節(jié)能”、“變頻降速節(jié)能”、“動態(tài)調(diào)整節(jié)能”、“通過變頻自身的V/F 功能節(jié)電”、“變頻器自帶軟啟動節(jié)能”等。

1.1 改造前實(shí)際測量結(jié)果

空載平均有功功率（Ps）：18.4 kW

空載平均無功功率（Qs）：65.1 kVar

空載平均視在功率（Ss）：67.7 kVA

空載功率因數(shù)（PF）：0.271

負(fù)載平均有功功率（Ps）：175.3 kW

負(fù)載平均無功功率（Qs）：82.4 kVar

負(fù)載平均視在功率（Ss）：193.8 kVA

負(fù)載功率因數(shù)（PF）：0.904

80天有功功率和（P）：110322 kW

80天無功功率和（Q）：124234 kVar

平均每天有功功率（P）：1379 kW

平均每天無功功率（Q）：1553 kVar

平均每天視在功率（S）：2077 kVA

功率因數(shù)（PF）：0.66

改造前每月電費(fèi)：

基本電費(fèi)（按照42元250 kW計算）=10500元

平均功率≈175 kW.h

每日生產(chǎn)=12 h

電度量預(yù)估（每月）≈2100 kW.h（日)×30日=63000 kW.h

電度電費(fèi)（按照0.9元計算）=56700元

附加電費(fèi)（未知）=0元

力率電費(fèi)（功率因數(shù)0.90標(biāo)準(zhǔn)電費(fèi)調(diào)整率，0.66對應(yīng)14%）=（基本電費(fèi)+電度電費(fèi)+附加電費(fèi)）×14%=9408元。

合計電費(fèi)(年)=(10500+56700+0+9408)×12月≈91.9萬元。

1.2 空載降速節(jié)能說明

以下是工廠提供的數(shù)據(jù)：

預(yù)混每日（12 h）生產(chǎn)約75車料，每車料混煉時間6.5 min，空載時間3.1 min，空載率=32.3%。

終混每日（12 h）生產(chǎn)約170車料，每車料混煉時間4 min，空載時間0.24 min，空載率=5.7%。

由于預(yù)混和終混的最終車次應(yīng)為一致，所以平均每日預(yù)混12 h×0.69=8.28 h，終混12 h×0.31=3.72 h。

工廠現(xiàn)在使用方式為間隔的未混煉時，為了避免設(shè)備的頻繁啟動對電網(wǎng)和設(shè)備造成的沖擊，設(shè)備不停車，電機(jī)工頻運(yùn)行。這樣的話會造成大量的電能浪費(fèi)。改造為變頻節(jié)能后，可以在間隔的未混煉時選擇降速節(jié)能的方式，速度降至零速待機(jī)，此時輸出功率為零。再次混煉時速度恢復(fù)，變頻為軟啟動方式，不會對電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備造成沖擊，節(jié)能效果參考以下公式：

空載功率：18.4 kW

平均空載率=8.28/12×32.3+3.72/12×5.7=28%。

節(jié)能（每天）：12 h×28%×18.4 kW =62 kW

1.3 節(jié)能改造后電費(fèi)計算

基本電費(fèi)（按照42元250 kW計算）=10500元

YE3高效節(jié)能電機(jī)對比繞線電機(jī)節(jié)電率大于5%

加裝變頻器驅(qū)動控制節(jié)電率大于5%

電度電費(fèi)（按照0.9元計算）=(2100-62) ×30天×0.9元×90%=49523元

附加電費(fèi)（未知）=0元

力率電費(fèi)（功率因數(shù)0.90標(biāo)準(zhǔn)電費(fèi)調(diào)整率，使用變頻器后功率因數(shù)可達(dá)到1，按照0.95計算對應(yīng)-0.75%)=(基本電費(fèi)+電度電費(fèi)+附加電費(fèi))×(-0.75%)=(-450)元。

合計電費(fèi)(年)=(10500+49523+0+(-450)）×12 月≈71.5萬元。

250 kW變頻電機(jī)+變頻驅(qū)動器 VS 240 kW工頻電機(jī)詳見表1。

表1 變頻電機(jī)與工頻電機(jī)對比

理論上節(jié)電率可達(dá)22.24%。（實(shí)際節(jié)電效果按照最終檢測為準(zhǔn)）工廠實(shí)際節(jié)電率超過30%。

1.4 使用變頻器可以帶來的好處

使用變頻器控制帶來的不光只有節(jié)能方面的好處，還有其它很多方面，例如：

（1）新的驅(qū)動柜采用數(shù)字驅(qū)動器控制，具有自動化程度高、故障率低、過載能力強(qiáng)，并且具有完善的自診斷和信息指示功能，可大幅度降低維護(hù)、維修的難度及時間。

（2）降低啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，在電機(jī)全壓啟動時，由于電機(jī)的啟動力矩需要，要從電網(wǎng)吸收6～7倍的電機(jī)額定電流，而大的啟動電流即浪費(fèi)電力，對電網(wǎng)的電壓波動損害也很大，增加了線損和變損。采用變頻器啟動后，啟動電流可以從0升至電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊還可節(jié)約了電能。

（3）消除掉啟動時對機(jī)械的沖擊。因?yàn)樽冾l啟動是以一個設(shè)定好的斜坡時間從零速到達(dá)設(shè)定速度的（一般零速到額定轉(zhuǎn)速為10 s），平滑的啟動也減少了啟動慣性對機(jī)械設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了機(jī)械設(shè)備的使用壽命。

（4）靈活的生產(chǎn)工藝，轉(zhuǎn)速可調(diào)。可根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)定轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低后，節(jié)能的效果會呈立方性變化。

（5）可以輕松實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的切換，方便維護(hù)、維修。

（6）更換為變頻控制同時也是響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，可以減少二氧化碳的排放。

2 改造方案

改造后電機(jī)功率由原來240 kW提升至250 kW（變頻電機(jī)沒有240 kW規(guī)格），更換原有驅(qū)動柜為新的變頻驅(qū)動柜，同時由于新電機(jī)軸徑的改變，需要更換聯(lián)軸器。

為保障用戶單位的生產(chǎn)工作及節(jié)約改造成本，更換原有電機(jī)與驅(qū)動柜，不更換PLC控制柜。

優(yōu)化PLC程序，當(dāng)前車次混煉完成后對變頻電機(jī)進(jìn)行自動降速控制，待下一車料混煉時再提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高節(jié)能效果，并且還可以減少機(jī)械設(shè)備的磨損，延長定圈、動圈、減速機(jī)齒輪、軸承等部件的使用壽命，節(jié)約維護(hù)、保養(yǎng)、備品備件更換的成本。

PLC程序增加可調(diào)節(jié)主電機(jī)轉(zhuǎn)速功能，有利于工藝的改進(jìn)，當(dāng)某種制品由于高速混合，升溫過快造成混合效果不好，改造后，可以靈活改變主機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足工藝要求。

變頻器選擇重載類型，過載能力強(qiáng)，改造后可以混煉硬度更高的原料。

考慮到諧波干擾問題，變頻器的輸入端配置電抗器，用于抑制高次諧波。

開煉機(jī)與壓延機(jī)的主電機(jī)目前為可調(diào)速電機(jī)，節(jié)能空間小于10%，不具備高改造價值。

改造前后對比見表2。

表2 改造前后對比

3 結(jié)束語

變頻系統(tǒng)改造后，為用戶每年可節(jié)省能耗費(fèi)用二十幾萬元，減少設(shè)備維護(hù)量。設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，能為用戶取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。