0 引言

天脊煤化工集團(tuán)有限公司是國(guó)家大型煤化工企業(yè)，其產(chǎn)品在市場(chǎng)占有一定的優(yōu)勢(shì)地位。在公司各種設(shè)備中，動(dòng)力設(shè)備占很大比例，故電力的大量消耗在一定程度上影響了企業(yè)的效益。近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速器以其體積小，重量輕、可靠性高、通用性強(qiáng)、調(diào)速范圍大，保護(hù)功能全、特性硬及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，倍受人們的青睞。為此公司應(yīng)用變頻技術(shù)在各生產(chǎn)系統(tǒng)重點(diǎn)改造了幾個(gè)項(xiàng)目，改造后效果良好，這為公司其他項(xiàng)目的改造提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 變頻調(diào)速的工作原理

由電動(dòng)機(jī)特性可知，異步電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速(簡(jiǎn)稱電機(jī)轉(zhuǎn)速)為n=(1-s)伊60伊f/p，其中，n 為電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速;f 為電動(dòng)機(jī)定子供電頻率;p 為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù);s=(no-n)/no 為轉(zhuǎn)差率;n0 為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

以往的電機(jī)調(diào)速大多通過改變參數(shù)p 和s 實(shí)現(xiàn)的。由于交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)差率s 極小，若將這一微小差別忽略不計(jì)則上述公式可近似等同于電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速就是通過均勻地改變定子供電頻率f，平滑地改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，并且在調(diào)速過程中，從高速到低速均能保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，以及足夠強(qiáng)度的機(jī)械特性，并可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，因此，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)比較理想的調(diào)速方法。

2 變頻調(diào)速節(jié)能原理分析

在化工行業(yè)，負(fù)荷以泵類為最多，風(fēng)機(jī)類次之，另外還有螺桿壓縮機(jī)類、攪拌器類等，其中泵類和風(fēng)機(jī)類占到總負(fù)荷的80%以上。在以往的生產(chǎn)中，對(duì)風(fēng)機(jī)、泵的流量、壓力等參數(shù)的控制主要是依靠調(diào)節(jié)風(fēng)門的開啟度或者通過節(jié)流閥控制流量、壓力，這樣不管是在出口端控制還是在入口端控制，都是以能量損失為代價(jià)，致使大量的電能消耗在克服風(fēng)門及管道的系統(tǒng)阻力上。而變頻調(diào)速可以通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制流量或壓力的大小，當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)的能耗以轉(zhuǎn)速的三次方的速率下降，節(jié)能效果非常顯著。變速調(diào)速是在管路特性曲線不變時(shí)，通過改變轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)機(jī)或泵的性能曲線，從而改變它們的工作點(diǎn)。變頻調(diào)速特性曲線如圖1 所示。

圖中曲線1、2 是采用節(jié)流閥控制流量的特性曲線。曲線1 為閥門關(guān)小時(shí)的特性;曲線2 為閥門全開時(shí)的特性;曲線3為額定轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程特性曲線。閥門關(guān)小后，泵的流量由qA下降到qB，泵的工作點(diǎn)自A 點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B 點(diǎn)后穩(wěn)定工作，可以看到此時(shí)流量減少，但同時(shí)泵的揚(yáng)程有所增加，由h(G)增加到了h(F)，此時(shí)電機(jī)功率與面積OEBF成正比。曲線4是在保持閥門開度不變的情況下，通過變頻器來調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速的曲線。可以看出，泵的工作點(diǎn)由自A 點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C 點(diǎn)，流量自qA減少到qB，泵揚(yáng)程自h(G)降低到了h(H)，電機(jī)所消耗的功率比調(diào)節(jié)節(jié)流閥消耗的功率要低，其功率與面積OECH 成正比，對(duì)兩種方法進(jìn)行比較，從圖中可以看出，變頻調(diào)速節(jié)省的功率駐P與面積HCBF成正比，節(jié)能效果顯著。

從另一個(gè)角度來看，根據(jù)液體力學(xué)原理可知：

輸出風(fēng)量(或液體量)q 與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 成正比;輸出壓力h 與轉(zhuǎn)速n 的二次方成正比;輸出功率P與轉(zhuǎn)速n 的三次方成正比。即q1/q2=n1/n2;h1/h2=(n1/n2)2;P1/P2=(n1/n2)3;若轉(zhuǎn)速下降20%，則功率下降到51.2%;若轉(zhuǎn)速下降50%，則功率下降到12.5%。

很明顯，即使考慮到裝置本身的耗損，節(jié)電效果也是很可觀的。

在變速調(diào)速的情況下，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為E=[1-(n1/n)3]Pt (kW·h)其中，n 為額定轉(zhuǎn)速;n1 為實(shí)際轉(zhuǎn)速;P 為額定轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)功率;t為工作時(shí)間。

由于采用變頻調(diào)速所需費(fèi)用比較高，所以其一般在大功率風(fēng)機(jī)上應(yīng)用價(jià)值較大，在小功率風(fēng)機(jī)上一般不推薦使用。

3 改造項(xiàng)目和效果

3.1 X-1601給煤機(jī)PIV 的變速改造

天脊集團(tuán)共有6 臺(tái)X-1601 給煤機(jī)，擔(dān)負(fù)著1600# 鍋爐制粉系統(tǒng)的供煤任務(wù)，是鍋爐系統(tǒng)中的重要組成部分，給煤機(jī)是重要的輔助動(dòng)力設(shè)備。其負(fù)荷是依靠電機(jī)帶動(dòng)PIV 無級(jí)變速器(錐盤組鏈條式的無級(jí)變速器)來調(diào)節(jié)的。磨煤機(jī)中的煤量隨負(fù)荷及工況變化而改變，因此，需要根據(jù)工藝要求，對(duì)給煤機(jī)的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。原鍋爐系統(tǒng)的給煤機(jī)都是通過改變出口閥門的開啟度來調(diào)節(jié)給煤量的，這是一種以增加阻力犧牲能量為代價(jià)的流量調(diào)節(jié)，當(dāng)流量減少時(shí)，電機(jī)的輸出功率并未隨之減少，這些電能主要被消耗在出口閥門上，從而加劇了閥門和管路的磨損。此種方法存在設(shè)備復(fù)雜，易出現(xiàn)故障點(diǎn)多、運(yùn)行可靠性差、調(diào)速精度及線性度差、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，同時(shí)調(diào)速電機(jī)長(zhǎng)期在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，處于高耗能運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行極不經(jīng)濟(jì)。針對(duì)給煤系統(tǒng)存在的缺陷及變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)給煤機(jī)進(jìn)行了變頻改造。

去除PIV減速機(jī)和其驅(qū)動(dòng)電機(jī)，更改為變頻調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)安全離合器、WGW 減速機(jī)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。由變頻調(diào)速系統(tǒng)控制鍋爐給煤機(jī)變速供煤后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)速平穩(wěn)，能夠滿足機(jī)組各種工況下的給煤需求，而且運(yùn)行可靠性也得到顯著提高。

實(shí)測(cè)一臺(tái)4 kW 給煤機(jī)在安裝變頻調(diào)速系統(tǒng)前后各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1 所列。

由表1 可知由變頻調(diào)速電機(jī)代替普通異步電動(dòng)機(jī)后綜合節(jié)能效果顯著。一臺(tái)4 kW給煤機(jī)沒裝變頻調(diào)速器前工作電流在8~9 A之間，實(shí)際每天用電量140 kW·h，使用變頻調(diào)速器后工作電流在4耀5 A之間，實(shí)際每天用電量75 kW·h，每天可節(jié)電65 kW·h，每年可節(jié)電19 500 kW·h，6 臺(tái)4 kW給煤機(jī)一年共節(jié)電117 000 kW·h。按0.40 元/kW·h 計(jì)，年節(jié)約電費(fèi)117 000伊0.40=46 800 元=4.68 萬元。

另外，原PIV 變速器故障率高，每臺(tái)費(fèi)用約20 萬元，A/B 兩爐各備機(jī)一臺(tái)，僅備機(jī)一項(xiàng)就需40 萬元。改造后設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，僅備機(jī)這一項(xiàng)年節(jié)約費(fèi)用就達(dá)40 萬元。

原設(shè)備維護(hù)成本高，由于PIV故障，每月每爐約停制粉系統(tǒng)一小時(shí)，爐膛助燃需投入油槍兩組(共3 支)，消耗燃油3 t。每年按生產(chǎn)10 個(gè)月，每t 柴油5 000 元計(jì)，兩爐一年消耗燃油費(fèi)用6伊10伊5 000=300 000元=30萬元。

此次改造不僅簡(jiǎn)化了給煤機(jī)的傳動(dòng)過程，方便了工藝控制，還消除了PIV故障的隱患，實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行一年未發(fā)生一次故障，有力的保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。綜合年經(jīng)濟(jì)效益為4.68+40+30=74.68萬元。

3.2 氣化爐CY201A-D液壓驅(qū)動(dòng)的變頻改造

公司氣化爐采用魯奇加壓氣化技術(shù)，其中氣化爐爐蓖、布煤器的轉(zhuǎn)動(dòng)是由液壓馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)減速后驅(qū)動(dòng)。由于液壓設(shè)備存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管路繁多，維修不便、維修費(fèi)用昂貴等原因，加之氣化廠房灰塵較大，造成備件壽命降低，從而影響液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

在1#、2#、3#爐的氣化爐爐篦、布煤器的驅(qū)動(dòng)方式由液壓驅(qū)動(dòng)改為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，減少了爐篦、布煤器的故障，運(yùn)行平穩(wěn)，維修量明顯減少，實(shí)現(xiàn)了中控調(diào)速，操作方便，提高了氣化爐的運(yùn)轉(zhuǎn)率，這為合成擴(kuò)產(chǎn)后設(shè)備的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。每爐年節(jié)約檢修費(fèi)用45.5 萬元，三爐合計(jì)年節(jié)約檢修費(fèi)用45.5伊3=136.5萬元。[!--empirenews.page--]

改造后，每臺(tái)氣化爐爐篦增加2臺(tái)YBP200L-4變頻電機(jī)，布煤器增加1 臺(tái)YBP180M-4 變頻電機(jī)，共增加電機(jī)9臺(tái)，具體參數(shù)如表2所列。

氣化爐為四開一備，以年運(yùn)行330 天計(jì)算，單爐運(yùn)行時(shí)間為264天;按電費(fèi)0.40 元/度計(jì)算，年消費(fèi)電量為(18.5伊6+11伊3)伊264伊24=(111+33)伊264伊24=912 384 kW·h，電費(fèi)為912 384伊0.4=364953.6 元=36.5 萬元，改造后年效益為136.5-36.5=100 萬元，改造費(fèi)用為80 萬元，不用一年就可收回投資。

4# 爐計(jì)劃在原庫(kù)存?zhèn)浼褂猛旰笤僮龈脑臁?/p>

全部改造完后，預(yù)計(jì)年效益將達(dá)到133 萬元。

3.3 深井變頻調(diào)速

公司供水系統(tǒng)深井分為兩個(gè)井群，由4 臺(tái)大泵和3臺(tái)小泵組成，系統(tǒng)供水量大，所以水量的平衡調(diào)節(jié)困難，加上用水量不穩(wěn)定，致使工藝調(diào)整更為不便。而在生產(chǎn)系統(tǒng)突然減水量，但提取的水又沒使用完的情況下，會(huì)造成加壓泵站水池溢流或就地排放以及深井泵的頻繁開停等，這既浪費(fèi)電又浪費(fèi)水資源，有時(shí)還會(huì)因溢流造成沖毀農(nóng)田進(jìn)行賠償?shù)氖鹿?，給公司造成損失。2005 年，公司在對(duì)2# 井群進(jìn)行改造時(shí)，用一臺(tái)ABB 的ACS600 變頻器帶兩臺(tái)20J1000伊2 深井泵運(yùn)行，及時(shí)調(diào)節(jié)水量，減少了加壓泵站水池溢流的現(xiàn)象。

對(duì)深井供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻技術(shù)改造，改變了原有控制模式，采用一臺(tái)變頻器切換帶兩臺(tái)深井泵，并在一級(jí)站水池增設(shè)水位反饋探頭和控制室手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的方式，通過設(shè)定水池液位，變頻器自動(dòng)控制出水量，滿足了供水系統(tǒng)水量調(diào)節(jié)要求，不但杜絕了水池溢流現(xiàn)象，而且節(jié)約了電費(fèi)，年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)22.6 萬元。實(shí)際投資36.29 萬元，二十個(gè)月就可收回投資。

2008 年在水源1#井群1#-1，1#-2 增加深井變頻調(diào)速系統(tǒng)，一臺(tái)EV2000-4T1320G 變頻器帶2臺(tái)490 m3/h 深井泵運(yùn)行，可根據(jù)需水量任意調(diào)節(jié)出水量，與2# 井群相配合，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的水量平衡，完全滿足了工藝生產(chǎn)的要求。

該裝置投資額為25 萬元。按每年平均工作10 個(gè)月，平均電價(jià)0.4 元/ kW·h計(jì)算，年節(jié)約電能18.86伊104 kW·h，年節(jié)約電費(fèi)7.544 萬元，節(jié)電率45%，投資回收期為三年四個(gè)月。

3.4 W-404A 的變頻改造

W404 是合成變換氣空氣冷卻器，來自300#變換工號(hào)的302益的變換氣經(jīng)干式冷卻器W401，被鍋爐給水冷卻到181益，進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器W402，冷卻到131益，隨后進(jìn)入空氣冷卻器W404進(jìn)一步冷卻到70益后送到終冷器W405。

隨著公司合成氨設(shè)備擴(kuò)產(chǎn)后的投入運(yùn)行，煤氣冷卻系統(tǒng)負(fù)荷隨之增加，對(duì)空冷器的調(diào)節(jié)要求也越來越高。W404 調(diào)整溫度需要手動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)漿葉角度，當(dāng)系統(tǒng)減負(fù)荷時(shí)，如果調(diào)整不及時(shí)容易造成W404出口溫度過低，導(dǎo)致列管堵塞，系統(tǒng)壓差過大;反之，會(huì)造成后系統(tǒng)入口溫度過高，不利于后系統(tǒng)的操作。

2006 年對(duì)空冷器的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行改造，由機(jī)械方式改為變頻電機(jī)直接調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)漿葉的轉(zhuǎn)速，這樣，能夠根據(jù)負(fù)荷調(diào)整W404出口溫度，方便了操作，避免了設(shè)備堵塞，滿足了合成擴(kuò)產(chǎn)后煤氣冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3.5 電磁振動(dòng)給料機(jī)改為變頻振動(dòng)給料機(jī)

將KL1004A、KL1002A/B/C 4臺(tái)電磁振動(dòng)給料機(jī)改為變頻給料機(jī)，控制信號(hào)進(jìn)入中央控制室由PLC控制，電機(jī)由4 kW改為3.7 kW。改造后維修量大幅下降，減少了備件的消耗和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。以年生產(chǎn)300天計(jì)，年節(jié)約電費(fèi)(4-3.7)伊24伊300伊0.40伊4=3 456元。

3.6 122A/B滑差調(diào)速改變頻調(diào)速

122A/B 是復(fù)肥礦粉干燥系統(tǒng)的咽喉設(shè)備，使用滑差調(diào)速裝置來控制調(diào)整礦粉流量的大小，從而決定礦粉干燥系統(tǒng)輸送干燥程度及均勻效果。該調(diào)速部分由于運(yùn)行多年，設(shè)備明顯老化，故障頻繁，且處理時(shí)間長(zhǎng)，制約生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

2007 年對(duì)原有的滑差調(diào)速裝置進(jìn)行了變頻調(diào)速改造，拆除了原有的滑差控制器，增加了一面變頻調(diào)速柜，采用日本安川CZMR-G7A4595 型變頻器，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的滑差電機(jī)更換為普通異步電動(dòng)機(jī)。

變頻改造后效果良好，速度調(diào)整平滑可靠，調(diào)節(jié)方便，故障率低，同時(shí)大大簡(jiǎn)化了接線，給運(yùn)行維護(hù)提供了很大的便利。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用變頻技術(shù)在公司相關(guān)設(shè)備中進(jìn)行技術(shù)改造后，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，維護(hù)工作量很小，達(dá)到了節(jié)約能源降低消耗的預(yù)期目的。對(duì)變頻器的應(yīng)用及改進(jìn)的實(shí)踐表明，變頻器取代以往的恒速電機(jī)，不僅線性度好，靈敏度高，使得電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。而且變頻器能較好地與DCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能，確保了輸出量隨時(shí)與工藝實(shí)際工況要求相平衡，使拖動(dòng)電機(jī)與負(fù)載處于最佳的匹配運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能效果顯著，同時(shí)，延長(zhǎng)了易損件的使用周期，降低了維修費(fèi)用。

作者簡(jiǎn)介：

張紅兵，男，工程師，在天脊集團(tuán)生產(chǎn)運(yùn)行部從事技術(shù)改造工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐旭東.石化企業(yè)變頻器的應(yīng)用[J].大氮肥，2007，30(6)：376-380.