化工廠電動機應用變頻技術節(jié)能分析

陳偉

[摘? ? 要]近年來，變頻調(diào)速裝置作為一種重要的電動機節(jié)能裝置得到了越來越廣泛的應用。在此背景下，當代化工廠在發(fā)展的過程中也提高了對此的重視程度，且逐步完善變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的構建，最終由此迎合當代節(jié)能生產(chǎn)需求，推動自身朝著更為健康穩(wěn)定的方向前進。本文從變頻調(diào)速技術的節(jié)能原理分析入手，詳細闡述了當前變頻器節(jié)能效果，旨在推動化工生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)模式的進一步創(chuàng)新與發(fā)展。

[關鍵詞]電動機;變頻技術;變頻調(diào)速裝置;節(jié)能

[中圖分類號]TM921.51;TQ08 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）12–000–03

[Abstract]In recent years， as an important energy-saving device for electric motors， variable frequency speed regulation devices have been used more and more widely. In this context， contemporary chemical plants have also paid more attention to this during the development process， and should gradually improve the construction of the frequency conversion speed control system， and finally cater to contemporary energy-saving production needs， and promote itself towards a healthier Moving forward in a stable direction. This article starts with the analysis of the energy-saving principle of frequency conversion technology， and elaborates the current energy-saving effect of frequency converters， aiming to promote further innovation and development of the production mode of chemical production enterprises for reference.

[Keywords]motor; frequency conversion technology; frequency conversion speed regulation device; energy saving

在化工生產(chǎn)企業(yè)中，大多數(shù)設備是由電動機拖動的，其中風機、泵類設備應用范圍廣泛;化工廠的大部分設備尤其是一些大功率風機設備在生產(chǎn)過程中絕大部分時間是不滿負荷運行的，并且都是通過調(diào)節(jié)擋風板、閥門開啟角度的方法來調(diào)節(jié)的。這種操作方式的缺點是：①電機及風機或水泵的轉(zhuǎn)速高，負荷強度重，電能浪費嚴重;②設備運行的自動化程度相當?shù)?，幾乎完全靠人工調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度差，控制不精確;③電氣控制采用直接或降壓啟動，啟動時電流對電網(wǎng)沖擊大，需要的電源容量大，功率因數(shù)較低;④啟動時機械沖擊大，設備使用壽命低等。這些大功率且連續(xù)運行電機耗電量高是化工企業(yè)制造成本高居不下的一個重要因素，因此很有必要對相應耗電量大的電機做一些工藝上的節(jié)能改造。以下就是對化工廠電動機應用變頻技術節(jié)能的詳細闡述。

1 電動機變頻調(diào)速裝置的構成

變頻調(diào)速裝置主要由整流單元、濾波單元、逆變單元、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元組成。該裝置運用了大量的現(xiàn)代科學技術，雖然價格較高，但在實際應用中具有著十分良好的性能與效果，能夠?qū)崿F(xiàn)對電動機運行電壓的有效調(diào)節(jié)與穩(wěn)定，對電動機運行頻率與速度的有效調(diào)整，實現(xiàn)設備的可靠啟動與有效節(jié)能。雖然變頻調(diào)速裝置的內(nèi)部結(jié)構相對復雜，但在實際的使用與操作上卻十分簡單便利。

2 變頻調(diào)速技術的節(jié)能原理

大多數(shù)的實踐表明，電機電能消耗量占據(jù)了全國總發(fā)電量的50%，其中鼠籠式電動機應用的最為廣泛。在此背景下，由于現(xiàn)代化科學技術的不斷發(fā)展，相關技術人員在電動機操控過程中應著重強調(diào)對變頻調(diào)速技術的應用，繼而通過變頻調(diào)速裝置實現(xiàn)對電機運行的有效控制，最終由此達到節(jié)能運行的目的。此外，從恒轉(zhuǎn)矩類負載的角度來看，在電動機實際運行過程中若將其轉(zhuǎn)速降到原有的一半，那么其總體功耗量也會隨之下降。因而化工廠在負載設備安裝的過程中應提高對其的重視程度，達成變頻調(diào)速技術節(jié)能目標。另外，變頻調(diào)速技術的節(jié)能效果還體現(xiàn)在泵自身特性促使其在轉(zhuǎn)速改變的過程中功率也會隨之產(chǎn)生變化，即當流量由80%下降至60%，那么其功率也會由原有的80%下降至49.5%。因此，化工廠在實際生產(chǎn)過程中應提高對變頻調(diào)速技術節(jié)能效果的關注度，以此達到良好的生產(chǎn)狀態(tài)。

3 電動機變頻調(diào)速裝置的技術參數(shù)分析

3.1 功率因數(shù)與頻率的關系

在對電動機變頻調(diào)速裝置的測試實驗中，可以發(fā)現(xiàn)不同頻率下變頻調(diào)速裝置的輸入、輸出端功率因數(shù)也會發(fā)生相應改變，即當頻率降低時，相應的功率因數(shù)也隨之降低，頻率升高時，其功率因數(shù)也隨之升高，尤其是輸入端的功率因數(shù)更是會直接受到變頻調(diào)速裝置設計水平的影響，這也就要求在電動機變頻調(diào)速裝置的選型過程中，應結(jié)合電動機所屬機械設備的實際運行進行合理的選擇。

3.2 抽油機負荷變化對變頻調(diào)速裝置效率的影響

抽油機設備的負荷本身具有一定復雜性，會周期性的產(chǎn)生波動，而對其周期負荷波動系數(shù)的分析正是變頻調(diào)速裝置使用策略制定與調(diào)整的重要依據(jù)。常規(guī)工況下，變頻調(diào)速裝置頻率的變化與負載率的變化應呈現(xiàn)出一定正比例關系，即頻率增加負載也增加，此時變頻調(diào)速裝置的運行效率應一定程度上得到提升，而由于抽油機負荷波動存在一定的不平衡性，有時會出現(xiàn)變頻調(diào)速裝置頻率下降，但運行效率并未隨之相應下降，反而出現(xiàn)一定程度的上升，變化的規(guī)律性不易判斷和掌握。選取不同設備，針對其負荷波動系數(shù)、平衡度、發(fā)電功率、負載率變頻調(diào)速裝置的運行效率等參數(shù)進行檢測分析與數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)油井平衡度相對較好的情況下，波動系數(shù)、發(fā)電功率等參數(shù)對于變頻調(diào)速裝置的效率影響較小，而主要影響其效率的參數(shù)為裝置的負載率。

3.3 運行頻率與耗電量的關系

在抽油機等設備的電動機變頻調(diào)速裝置使用過程中，對于運行頻率的調(diào)整會帶來耗電量的相應變化，實際的變化關系根據(jù)不同油井實際作業(yè)條件的差異而不同，可通過實驗對不同頻率下單井噸液耗電的實際值進行記錄和對比，從而找出其耗電量最低的頻率值，及相應的參數(shù)設置。如試驗所選取的某油井在某一周期頻率為40 Hz的情況下，噸液耗電達到了最值9.34 kW·h/t，相較于試驗所記錄的峰值10.32 kW·h/t降低了0.98 kW·h/t，這也證明在該運行頻率下，抽油機能夠達到最優(yōu)的節(jié)能運行狀態(tài)，可將此時變頻調(diào)速裝置的技術參數(shù)作為該油井抽油機參數(shù)優(yōu)化的參考依據(jù)。

4 變頻技術節(jié)能分析

4.1 變頻自帶軟啟動節(jié)能

近年來，化工廠在實際生產(chǎn)過程中強調(diào)對變頻技術的應用，且合理安置了變頻器，并通過變頻自帶啟動功能達到了良好的節(jié)能目的。在電動全壓啟動過程中，其對啟動力矩提出了更高的要求，因此，為確保電動機的穩(wěn)定運行，必須從電網(wǎng)中獲取到6倍的電機額定電流，以此來滿足電動機實際運行條件。但是在此種運行模式下，很容易產(chǎn)生總體耗能較大的問題，同時逐漸呈現(xiàn)出電壓波動損害的現(xiàn)象，影響化工廠實際生產(chǎn)過程中的總體經(jīng)濟效益。為此，化工廠在實際生產(chǎn)過程中應注重將電機轉(zhuǎn)向軟啟動狀態(tài)，繼而在電機啟動過程中減少電流的沖擊力，并最終延長設備使用年限，達到節(jié)能運行目的。因此，在當代化工廠發(fā)展過程中應用變頻自帶軟啟動節(jié)能是非常必要的，應提高對其的重視程度。

4.2 變頻節(jié)能

變頻節(jié)能也是變頻器節(jié)能的一種有效途徑，在生產(chǎn)機械設計過程中要求技術人員應提高對安全性生產(chǎn)的重視程度，同時在配用動力驅(qū)動的過程中應著重強調(diào)保留富余量的重要性，為電機運行提供良好的運行環(huán)境，滿足電機運行需求。此外，為達到變頻節(jié)能效果，要求相關技術人員在對電機進行操控的過程中應合理調(diào)整力矩，即確保將力矩控制在標準范圍內(nèi)，以避免多余力矩的產(chǎn)生增加電機的總體電能消耗量，并增加其有功功率的消耗。另外，在變頻節(jié)能中，通過降低電機運行速度的方式達到節(jié)能效果也是至關重要的，為此，化工廠在實際生產(chǎn)過程中應提高對其的重視程度，且應將其落實到創(chuàng)新計劃中，達到節(jié)能生產(chǎn)目標。

4.3 提高功率因數(shù)節(jié)能

提高功率因數(shù)也可凸顯變頻器節(jié)能效果，由于電動機在實際運行過程中由電子繞組和轉(zhuǎn)子繞通過電磁作用來決定其力矩的產(chǎn)生，因此，為達到節(jié)能運行目的，要求相關技術人員在對電動機進行操控的過程中應合理應用變頻技術來調(diào)整繞組感抗作用，最終形成高效率的運作狀態(tài)。此外，在電動機實際運行過程中受到其吸收無功功率的影響，導致其功率因數(shù)在電機實際運行過程中逐漸呈現(xiàn)出下降的趨勢，因此，技術人員在對設備進行調(diào)控的過程中應通過變頻技術的應用合理提高功率因數(shù)，最終達到良好的節(jié)能效果，滿足當代化工廠實際生產(chǎn)需求。另外，變頻節(jié)能調(diào)速器的應用，亦有助于電動機型性能的轉(zhuǎn)變，應提高對其的重視程度。

5 風機、泵類設備節(jié)能分析

由于變頻調(diào)速技術的基本原理是電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸如頻率成正比的關系：。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)，通過改變電動機工作電源頻率可達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。由流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q壓力H以及軸功率p具有流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比和軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比的關系（如圖1）。

圖1中，n1代表電機在額定轉(zhuǎn)速運行時的特性;n2代表電機降速運行在n2轉(zhuǎn)速時的特性;R1代表風機、泵類管路阻力最小時的阻力特性;R2代表風機、泵類管路阻力增大到某一數(shù)組時的阻力特性。

風機、泵類在管路特性曲線R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時風機、泵類所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH10Q1的面積。由于工藝要求需減小流量到Q2，實際上通過增加管網(wǎng)管阻，使風機、泵類的工作點移到R2上的B點，壓力增大到H2，這時風機、泵類所需的功率正比于H2與Q2的乘積，即正比于BH20Q2的面積，顯然風機、泵類所需的功率增大了。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運行成本換取簡單控制的方式。若采用變頻調(diào)速，風機轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時變頻調(diào)速后風機所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH30Q3的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。

也就是當風機水泵的轉(zhuǎn)速下降10%時，電機消耗功率下降27.1%。所以風機水泵采用變頻調(diào)速節(jié)能效果非常明顯。海洋石油富島有限公司原有220kW鼓風機一臺，原采用自藕減壓啟動控制，通過調(diào)節(jié)擋風板的開啟角度的方法來滿足不同的用風量，運行中擋板開度為60%～90%，后改用變頻器控制，通過電度表測量，節(jié)電率達32%，每年節(jié)約電費約14萬元，經(jīng)濟效益十分可觀。

6 結(jié)語

綜上可知，當代化工廠電動機運行過程中仍然存在著電能消耗量較大等問題，影響到了化工廠整體經(jīng)濟效益。因此，化工廠在實際生產(chǎn)過程中應著重強調(diào)應用變頻技術的重要，并通過提高功率因數(shù)節(jié)能、變頻節(jié)能、變頻自帶軟啟動節(jié)能等途徑營造一個良好的電動機運行環(huán)境，并減少功率消耗量，達到節(jié)能運行成效。此外，在變頻節(jié)能技術應用過程中全面掌控設備負載特性也是非常必要的，為此，應提高對其的重視程度。

參考文獻

[1] 劉云涌.分析油田生產(chǎn)系統(tǒng)應用變頻技術節(jié)能效果[J].價值工程，2014（15）：73-74.

[2] 徐春華，徐建龍，倪春雷，等.高壓離心風機變頻節(jié)能改造技術分析與應用[J].黃金，2013（1）：44-47.

[3] 馬坤，劉向東，周亮，等.變頻調(diào)速裝置在機械采油系統(tǒng)中經(jīng)濟運行的評價方法[J].節(jié)能，2014（5）：57-59.

[4] 馬強，金春玲，侮松林，油田變頻調(diào)速裝置經(jīng)濟運行指標的確定[J].石油石化節(jié)能，2015（1）：31-32.