變頻技術(shù)在天脊集團(tuán)生產(chǎn)設(shè)備上的應(yīng)用

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(lái)，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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(kāi)啟度或者通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)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(guò)改變轉(zhuǎn)速來(lái)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(kāi)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(kāi)度不變的情況下，通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速的曲線?？梢钥闯?，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(lái)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(wú)級(jí)變速器(錐盤組鏈條式的無(wú)級(jí)變速器)來(lái)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(guò)改變出口閥門的開(kāi)啟度來(lái)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(méi)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(wàn)元。

另外，原PIV 變速器故障率高，每臺(tái)費(fèi)用約20 萬(wàn)元，A/B 兩爐各備機(jī)一臺(tái)，僅備機(jī)一項(xiàng)就需40 萬(wàn)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(wàn)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(wàn)元。

此次改造不僅簡(jiǎn)化了給煤機(jī)的傳動(dòng)過(guò)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(wàn)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(wàn)元，三爐合計(jì)年節(jié)約檢修費(fèi)用45.5伊3=136.5萬(wàn)元。