變頻技術在煤化工裝置中的節能應用研究

王 珺 祁立賓 曹 輝 卓 狀 馬 帥

（航天長征化學工程股份有限公司電控室，北京 101111）

0 引言

在煤化工裝置生產過程中，風機、泵類負載是生產裝置的主要耗電設備，其電耗占全廠總電耗的75%～80%。同時，煤化工裝置由于受煤種、下游裝置處理量、實際生產方案變化以及市場運營等因素影響，常常處于負荷變化或低負荷運行狀態，而在設計選型過程中考慮到煤種、擴能改造等因素，會留有一定的余量，使許多風機、泵類負荷波動范圍和揚程過剩較大，造成能源浪費。

工藝管道中的調節閥，是通過改變管道通徑的截面積，即改變管路特性，來控制管道中流體的流量；而用變頻器驅動電動機帶風機、泵，當機械的轉速改變時，可改變流體流量的大小。兩者的作用一樣，只是控制流體流量的方式不同而已，因此在風機和泵類負載的流量控制場合，變頻器是可以代替調節閥的[1]。

本文根據實際項目的運行數據研究了風機、泵類負載的能源浪費情況，將原有流量調節的控制方式改為變頻調速控制，并給出了變頻調節技術在煤化工項目中的應用方案；同時，通過分析得出變頻調速控制節能效果明顯，具有良好的經濟效益。

1 變頻調節理論分析

這里以離心泵為例，討論流量控制中存在的問題。流量的調節一般采用兩種辦法：一種是節流調節，另一種是變速調節。離心泵及管路的特性曲線如圖1所示。

圖1中，n（H-Q）為離心泵特性曲線，R為管路特性曲線。當流量達到最大值Q0時，泵以全速n0運行，出口閥門全開，泵的特性曲線n0和管路特性曲線R0交于工況點A，泵出口壓力為HA。在需求流量由Q0減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，泵的能耗不同[2]。

圖1 離心泵和管路的特性曲線

（1）節流調節。泵的轉速保持不變，關小泵出口閥門，此時管路特性曲線由R0變為R2，工況點由A點上滑到B點，揚程從HA上升到HB，所消耗的功率正比于Q1BHBO面積（設為S1）。

（2）變速調節。改變泵的轉速，閥門開度保持不變。此時泵的特性曲線由n0變為n2，工況點由A點下滑到C點，揚程從HA下降到HC，所消耗的功率正比于Q1CHCO面積（設為S2）。

顯而易見，在同樣的流量Q1下，HB＞HC，S1＞S2，說明變速調節比節流調節更節省能耗[3]。

2 調節閥控制下電機輸出功率分析

為了掌握流量調節系統的運行狀態，將風機/泵的出口流量、調節閥開度、調節閥前后壓力值以及電機運行電流4個參數作為數據采集的對象。圖2是某煤化工裝置中風機A的相關數據，圖3是某煤化工裝置中水泵B的相關數據。

圖2中綠色線SP對應的是流量目標值，黃色線OP是電動風門的開度，紅色線表示的是實際的風量。由于在控制系統中未做電流的趨勢，通過手動觀察，風機A當前的電流值為67 A。

圖2 風機A遠程數據采集

圖3中紅色線OP對應的是調節閥的開度，粉色線PV對應的是流量值。由于在控制系統中未做電流的趨勢，通過手動觀察，水泵B當前的電流值為156 A。

圖3 水泵B現場數據采集

通過現場數據可以得出，風機A的額定功率為1 400 kW，設計流量為141 696 Nm3/h，其入口的實際風量在10 000 Nm3/h左右，調節閥的開度在65%左右，根據工作電流可知，電動機實際功率為988 kW。水泵B的額定功率為185 kW，額定流量為300 m3/h，揚程為140 m，根據工作電流可知，電動機實際功率為92.4 kW。可以看出，當風機、泵類負載的實際工作流量小于其額定流量時，電機的實際輸出功率小于額定功率。

3 變頻調速控制下電機輸出功率分析

當風機、水泵出口壓力高于需要值時，若采用調節閥門（節流閥門、風門）的方法調節流量，則調節閥門上的電能損耗為：

式中：ΔN為調節閥門上的電能損耗（kW）；Q為流量（m3/s）；ΔH為富余揚程，即調節閥門上的壓降（Pa）；η為風機、水泵效率；ηd為電動機效率；ηt為傳動裝置效率。

由于風機、水泵類負載屬于平方轉矩負載，即轉矩M與轉速n的平方成正比，即M∝n2；而電動機軸的輸出功率P∝Mn∝n3，所以電動機的輸出功率與轉速的三次方成正比[4]。

下面針對前述某項目的風機A和水泵B進行節能分析，由于變頻運行時的數據尚未采集，僅對其進行理論分析。

對于風機A，如果采用變頻控制的方案，根據流量與轉速的關系，需要電機運行在頻率為35 Hz的狀態下，此時消耗的功率為額定功率的34.3%，約為480.2 kW，是實際值的48.6%。

對于水泵B，如果采用變頻控制的方案，需要水泵運行在頻率為25 Hz的狀態下，此時消耗的功率為額定功率的12.5%，約為22.5 kW，是實際值的24.4%。

由此可見，采用變頻調速控制方案可以顯著降低風機、泵類負荷的能耗。

4 變頻器應用方案

圖4和圖5分別是高壓變頻器控制方案的一次主回路圖和二次原理圖。一次主回路包含高壓斷路器QF、高壓隔離開關QS1～3、高壓變頻器、輸入移相變壓器等。高壓斷路器QF設置在高壓開關柜中，高壓隔離開關QS1～3、高壓變頻器、輸入移相變壓器設置在高壓變頻器成套柜中，其中高壓變頻器成套柜需設置在單獨的房間內。

圖4 高壓變頻器一次主回路圖

圖5 高壓變頻器二次原理圖

圖6和圖7分別是低壓變頻器控制方案的一次主回路圖和二次原理圖。一次主回路包含低壓斷路器、低壓變頻器、輸出電抗器、冷卻風扇主回路等。

圖7 低壓變頻器二次原理圖

5 變頻器選型要求

對于低壓變頻器：

（1）其控制方式有U/f控制和無傳感器矢量控制；

（2）變頻器輸出頻率范圍為0.5～200 Hz；

（3）變頻器瞬時過轉矩能力不低于額定轉矩的120%，持續時間不低于60 s；

（4）變頻器必須采用必要的諧波抑制方案，將其輸入側產生的諧波電流總畸變率（THDI）減小至小于35%，優于IEC標準THDI≤48%的要求；

（5）為減小變頻器運行中產生的輻射與傳導干擾，滿足EMC抗干擾性，變頻器必須集成A類EMC濾波器；

（6）具有輸入過壓、直流母線過壓、輸入欠壓、輸入缺相、過載、欠載、電流限幅、輸出缺相保護；

（7）變頻器集成Modbus通信功能[5]。

對于10 kV中壓變頻器：

（1）通常選用電壓型變頻器，即內部儲能元件為電容；

（2）通常選用10 kV輸入、10 kV輸出，不選用輸入采用降壓變壓器降壓、輸出采用升壓變壓器升壓的方案；

（3）通常選用變頻器成套柜，包含輸入移相變壓器、變頻器整流單元、變頻器逆變單元以及圖形顯示終端，變頻器柜的防護等級不低于IP31，變頻器功率單元冷卻方式為強制風冷，并具有冷卻風機停機保護；

（4）變頻器能提供U/f控制和無傳感器矢量控制；

（5）具有電動機過載、過流、輸入過壓、輸入欠壓、CPU故障等保護；

（6）為有效減小變頻器運行產生的諧波電流，變頻器輸入必須采用36脈沖整流，使得諧波電流總畸變率THDI不大于2%，以將諧波電流中對中壓電網的污染降到最低；

（7）為保證變頻器輸出電壓為高度正弦波，從而消除du/dt產生的過電壓對電動機絕緣的損害，要求變頻器輸出半波電壓必須為21電平，每個逆變單元必須能輸出3電平；

（8）變頻器輸出頻率為0.5～100 Hz；

（9）變頻器功率因數大于0.96；

（10）額定功率下，要求變頻器的整機效率（包含輸入移相變壓器在內）大于96%；

（11）變頻器集成Modbus通信功能[5]。

6 結語

本文通過對目前煤化工裝置中流量調節系統的調研，論證了變頻調速控制應用于風機、泵類負載流量調節的可行性，并進行了節能分析，同時給出了不同電壓等級（10 kV、380 V）下變頻控制系統的一、二次回路方案以及變頻器選型的相關要求。