變頻器在深冷站的應用分析

李瑋 （大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

變頻器在深冷站的應用分析

李瑋 （大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

在工業(yè)生產和產品加工制造業(yè)中，風機、泵類設備應用范圍廣泛，其電能消耗及維護、維修費用占生產成本的7%～25%。文中簡述了變頻器的工作原理及優(yōu)點，并根據薩南深冷站空冷器的實際情況，對本站空冷器變頻器改造進行了運行狀況分析以及投產效益計算，通過分析可以看出變頻器改造確實是促進節(jié)能降耗的重要手段。

變頻器 節(jié)能 效益 改造

在工業(yè)生產和產品加工制造業(yè)中，風機、泵類設備應用范圍廣泛；其電能消耗和閥門、擋板相關設備的節(jié)流損失以及維護、維修費用占到生產成本的7%～25%，是一筆不小的生產費用開支，節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產成本的重要手段之一。

80年代初發(fā)展起來的變頻調速技術，正是順應了工業(yè)生產自動化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個全新的智能電動機時代。一改普通電動機只能以定速方式運行的陳舊模式，使得電動機及其拖動負載在無須任何改動的情況下即可以按照生產工藝要求調整轉速輸出，從而降低電動機功耗，達到系統(tǒng)高效運行的目的[1]。

1 變頻器理論及其在深冷站運行效益分析

1.1 變頻器的原理及優(yōu)點

根據機電設備配合設計原則，電動機的最大功率必須滿足負載下的機械功率和轉矩，對于不同的負載，最大值并非時時刻刻都發(fā)生，負載的變化是非線性的，而電動機的輸出功率卻是恒定的，這就意味著在非最大負載時電動機輸出了相當一部分多余功率，電能也就白白浪費掉了。

由電動機轉速的數學公式我們知道，電動機的實際轉速，主要取決于電動機定子的旋轉磁場。公式為：

式中 n、t、s、f、p分別代表轉速、時間常數、電動機轉速差、輸入頻率、電動機磁極對數。

從公式（1）可以看出，在其他參數不改變的情況下，降低電源的輸入頻率，會使電動機的轉速變小，負載降低，實現節(jié)能的目的。

我們日常生產和生活所使用的電源，是固定頻率（50 Hz）的交流電。變頻技術，就是通過技術手段來改變用電設備的供電頻率，進而達到控制設備輸出功率的目的。變頻技術隨著微電子學、電力電子、計算機和自動控制理論等的發(fā)展，已經進入了一個嶄新的時代，完全成熟的技術，也使其應用進入了一個新的高潮。它是通過變頻調速改變軸輸出功率，達到減少輸入功率節(jié)省電能的目的[1]。

具體到風機及離心泵等設備，它們均為平方轉矩負載，根據流體力學：Q∝n，H∝n2，P∝n3，即流量與轉速成正比，壓力與轉速二次方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比。

以上分析可以看出，變頻器的優(yōu)點主要有以下幾點：

1）改善了啟動性能。由于電動機的軸功率與轉速的三次方成正比，采用變頻器啟動時頻率低，轉速也低，啟動電流就小，避免工頻啟動時形成的大電流對電動機、電纜、開關等設備的沖擊，因此啟動性能得到改善。

2）提高了功率因數。由于變頻器內的濾波電容作用，使其具有功率因數補償功能，從而減少了無功功率損耗，減小了電流，也減少了線損和設備的發(fā)熱，提高了設備的有功功率。

3）提高了控制精度。變頻器調整的最小幅度為Δf＝±1.5 Hz。使用變頻技術后，變頻器可以直接通過改變頻率控制風機轉速來控制風量，調整方便。

4）延長了設備使用壽命。由于使用變頻器，風機、電動機的運行頻率為20～47 Hz，轉速低，轉矩小，這樣等于提高了運行設備的安全系數，有利于機組的長期安全運行，也延長了風機、電動機等設備的使用壽命。

1.2 變頻器在深冷站投用分析及效益計算

根據變頻器原理公式以及流體力學公式可以推導出變頻節(jié)電公式：

式中：

W——節(jié)電量，kWh；

P——額定功率，kW；

t——運轉時間，h；

f1、f2——分別為變頻頻率和工頻頻率；

d——運行天數。

薩南深冷站共有空冷器5臺，對應配套電動機10臺，在2009—2010年檢修改造中，對這10臺電動機進行了更換，并匹配變頻器6臺，我們可以通過計算效益來驗證變頻器投產的必要性。

按照設計，E0101-E0104每臺空冷器的2臺配套電動機配備1臺變頻器，E0202空冷器2臺電動機各配備1臺變頻器，則共需配備6臺變頻器。在夜間溫度較低時段，不需要所有空冷器電動機滿負荷運行，假設每天變頻器變頻至35 Hz方式運轉10 h，每日具體節(jié)電情況見表1。

表1 投用變頻器節(jié)電情況統(tǒng)計

空冷器變頻器改造效益可分為顯性效益和隱性效益，顯性效益就是指節(jié)電效益。由表1可看出，6臺變頻器正常投用的情況下，每天可節(jié)電617.58 kWh，按照0.80元/kWh的價格計算，每天可節(jié)約電費494元，每年可節(jié)約18×104余元。按照每臺變頻器3×104元計算，投資回報期僅為1年。

而空冷器變頻器改造還有較大的隱性效益，主要體現在：

1）實現了電動機的軟啟軟停，消除了電動機啟動電流對電網的沖擊，減少了啟動電流的線路損耗。

2）消除了電動機因啟停所產生的慣動量對設備的機械沖擊，大大降低了機械磨損，減少設備的維修，延長了設備的使用壽命。

2000年之前我國變頻器使用率不足10%，到2009年上半年增加量超過35%，很多生產商生產的風機、水泵類的電動機控制系統(tǒng)都配裝了變頻啟動系統(tǒng)，說明這項節(jié)能技術越來越被人們所認識。隨著市場占有率的不斷提高，成本價格較前些年大幅下降。從使用情況看，只要不超負荷運行，很少發(fā)生故障。

2 結論

通過分析我們可以看出，深冷站的空冷器電動機變頻改造無論從節(jié)能、經濟效益上或是對電動機、線路的保護上都有顯著的優(yōu)勢。在油田生產中，能效比不高，陳、舊、老設備仍占較大的比重。節(jié)能改造潛力巨大，相信通過變頻器節(jié)能項目的改造，節(jié)能降耗工作必將邁上更高的臺階。

[1]劉東旗.變頻器發(fā)展趨勢研討分析[J].電工技術,2008（7）：34.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.01.013

李瑋，2007年7月畢業(yè)于大慶石油學院計算機科學與技術專業(yè)，助理工程師，目前任油氣加工二大隊深冷站電氣技術員，E-mail：liwei8410@163.com，地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司天然氣分公司油氣加工二大隊。

2011-11-28)