據(jù)統(tǒng)計，我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60%~70%左右，而風(fēng)機、水泵設(shè)備年耗電量占全國電力消耗的1/3左右。造成目前這種狀況的主要因素就是：風(fēng)機、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，無論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機、水泵都要全速運轉(zhuǎn)，其輸出功率大量消耗在擋板、閥門的截流過程中，同時也增加了設(shè)備的損耗。由于風(fēng)機、水泵類多數(shù)為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機、水泵轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率也將大幅下降，因此節(jié)能潛力非常大，目前最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速技術(shù)來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率可以達(dá)到20%~50%,投資回收期1~3年左右，經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀。因此大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅是當(dāng)前提高企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，而且也是實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。

 

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機、泵類設(shè)備的應(yīng)用范圍非常廣泛。其電能消耗也相當(dāng)巨大。因此大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅是當(dāng)前提高企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，而且也是實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。在某400萬噸/年煤炭間接液化項目空分裝置中擁有大量的大功率空冷器軸流風(fēng)機，該類風(fēng)機采用變頻控制，節(jié)能效果顯著。

 

　　在某400萬噸/年煤炭間接液化項目空分裝置中擁有大量的大功率空冷器軸流風(fēng)機及其他泵類設(shè)備，采用變頻控制節(jié)能效果顯著。該項目包含12套101500Nm3/hO2的空分裝置、一套空壓站以及兩套后備系統(tǒng)。

 

　　該空分裝置項目采用變頻器控制的風(fēng)機類負(fù)荷包括每套空分裝置9臺160kW的空冷器軸流風(fēng)機。空冷器軸流風(fēng)機容量是按照最熱月平均溫度工況下并留有一點余量選擇的，據(jù)林德公司實際運行經(jīng)驗顯示，該風(fēng)機電動機如采用變頻控制在正常工況下實際運行功率只有75.7kW左右。如果按照每年工作333天計算，采用變頻控制調(diào)速相比采用擋板開度調(diào)速，僅12套空分裝置空冷器軸流風(fēng)機節(jié)省電能就達(dá)到約4.96*107kWh（計算過程詳見"四、變頻調(diào)速裝置節(jié)能計算"）。

 

　　該空分項目采用變頻控制的泵類設(shè)備包括每套空分裝置3臺190kW液氧內(nèi)循環(huán)泵、2臺110kW液氧流程泵、2臺75kW液氮內(nèi)壓縮泵以及每套后備系統(tǒng)3臺190kW液氧后備泵、3臺295kW高壓液氮后備泵、3臺315kW中壓液氮后備泵。根據(jù)林德公司提供數(shù)據(jù)計算該項目泵類負(fù)荷采用變頻控制在正常工況下每年可節(jié)省電能約1.0x107kWh（該數(shù)據(jù)為不計入后備系統(tǒng)所節(jié)省電能，因后備系統(tǒng)不常用）。

 

　　變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p,（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過調(diào)節(jié)電動機工作電源頻率，同時調(diào)節(jié)輸入電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。我們使用的變頻器主要采用交―直―交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

 

　　由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）*H（壓力），而流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，得功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。例如：本項目一臺液氮內(nèi)壓縮泵75kW,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，其單位小時內(nèi)的耗電量為75*（4/5）3=38.4KW?h,可省電（75-38.4）/75=48.8%,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時，其單位小時內(nèi)的耗電量為75*（1/2）3=9.375KW?h,可省電（75-9.375）/75=87.5%.

 

　　無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴(yán)重，由公式P=S*COSФ，Q=S*SINФ，其中S-視在功率，P-有功功率，Q-無功功率，COSФ-功率因數(shù)，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵電機的功率因數(shù)在0.6-0.8之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，COSФ≈1,從而減少了無功損耗。

 

　　由于大容量電機直接啟動時，起動電流等于（4-7）倍額定電流，這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，起動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻調(diào)速裝置后，利用變頻器的軟起動功能將使起動電流從零開始，平滑的達(dá)到額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費用。

 

　　對于本空分裝置項目風(fēng)機、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速裝置后的節(jié)能效果，可以采用以下方式進(jìn)行計算：

 

　　根據(jù)風(fēng)機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式：P/P0=（n/n0）3計算，式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時的功率；P為轉(zhuǎn)速n時的功率。

 

　　以本項目一臺軸流風(fēng)機160kW為例。運行工況以24小時連續(xù)運行，其中每天16小時運行在90%負(fù)荷（頻率按45Hz計算，擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按97%計算），8小時運行在50%負(fù)荷（頻率按25Hz計算，擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按72%計算），全年運行時間以333天為計算依據(jù)。

 

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