工矿企业应用变频调速的节能效果分析

1 前言

　　随着经济、文化和社会的持续、快速、协调和健康的发展，企业竞争日趋激烈，这种竞争归根结底是人才的竞争，产品质量和价格的竞争。现代工矿企业机械化、自动化程度越来越高，同时如何降低电力消耗，就成为企业节能降耗的重要组成部分。工矿企业如何通过加强内部管理，采取切实可行的措施，依靠技术创新，挖潜改造，实现节能降耗，进一步降低产品成本，形成产品价格竞争优势，达到增强企业的市场核心竞争力，提高企业的经济效益，是每个企业都必须积极研究和探讨的重要课题。

2 变频调速的节能原理

　　在工矿企业，通常必须对物料的状态或数量进行控制和调节，以满足生产过程的需要。本文以泵与风机为例进行阐述。泵与风机是确保生产工艺过程正常进行的重要设备，这些设备的运行工况必须按照生产工艺的要求，随时进行调节。以往它们的调节是采用传统的节流方法来进行，也就是通过改变设在泵（或风机）出口（或进口）管路上的节流调节阀门（或风门）的开度来实现的。即通过人为地设置对水或风的阻力来达到目的。以泵为例，其调节特性曲线如图１所示。若泵的工作点选在Ａ点时的效率最高，流量Ｑ1为１００％额定值，压力为Ｈ１，此时的轴功率Ｐ１与面积ＡＨ１ＯＱ１成正比；当流量由Ｑ１减小到Ｑ２时，必须通过减小管路阀门的开度，增加管网阻力的方法来实现。此时管网特性曲线由Ｒ１变成Ｒ２，泵的工作点由Ａ点变成Ｂ点，这时压力上升为Ｈ２，轴功率Ｐ２与面积ＢＨ２ＯＱ２正比。

　　若改换这种传统的阀门节流调节，而采用调节泵的转速的方法来进行，情况则不一样了，这种变化（如图２所示）。

　　若Ｑ1仍为１００％额定值，当流量由Ｑ１减小到Ｑ３时，采用将泵的转速由ｎ１降低到ｎ２，根据感应电动机的转速公式ｎ＝６０ｆ（１－ｓ）/ｐ可知，改变频率ｆ（即变频），即能实现连续性的变频调节，它是最常用，最有效的调速方法。此时泵的出口阀门全开（即未改变其开度），也就是未增加管网阻力，管网持性曲线Ｒ１维持不变，结果泵的工作点由Ａ点变到Ｃ点，压力下降至Ｈ３，轴功率Ｐ３与面积ＣＨ３ＯＱ３成正比，它比原轴功率Ｐ１（与面积ＡＨ１ＯＱ１成正比）明显减小。据理论推导，转速由ｎ１变为ｎ２时，流量Ｑ，扬程（压力）Ｈ，泵的消耗功率（即轴功率）Ｐ的变化关系式为Ｑ１/Ｑ２＝ｎ１/ｎ２，Ｈ１/Ｈ２＝（ｎ１/ｎ２）２，Ｐ１/Ｐ２＝（ｎ１/ｎ２）３，即ＰＣ＝ＰＮ（Ｑ１/Ｑ２）３.其中，ＰＣ即采用变频调速方法后，泵的消耗功率。因此采用变频调速方法后，节约的功率为：△Ｐ＝ＰＡ－ＰＣ.

　　如图３所示的阴影部分的面积即为节电功率△Ｐ部分，显然采用变频调速方法的节能效果相当明显。

　　节流调节时，由于阀门的前后两侧压差较大，势必造成阀门受损，缩短其使用寿命，并且有相当一部分功率白白地损失在节流阀及其控制的前面一段管路上。同时也增加了泵的出口压力（表现在节流阀前），加剧了泵的受损。而采用变频调速来调节时，由于转速的变化，引起泵的轴功率直接明显的变化。因此，大大地减少了输入的能源（若采用机械——变速齿轮、液力耦合等调速，由于不能直接改变输入电动机的电源参数，也没有多大节能意义），同时，又由于泵的出口压力比节流调节时有所降低，使泵及管道免受“憋压”危害，大大减轻了磨损，延长了使用寿命。

3 变频调速的实现方法

　　由感应电动机的转速公式ｎ＝６０ｆ（１－ｓ）/Ｐ可知，式中的频率ｆ，极对数Ｐ和转差率ｓ（对同步电机而言，ｓ＝０），这３个参数，只要改变其中的１个，均能达到改变电动机转速的目的。但经过反复推导，分析和对比，若改变ｓ即采用滑差电机调速，则范围有限，且滑差调节功率消耗在激磁线圈上，不能节电；对于改变极对数Ｐ的范围也是有限的，并且它不能做到连续无级调速；只有改变频率ｆ，才能实现大幅度的连续无级调速，可根据生产工艺的需要在工频以下或以上的较大范围内实现变频无级调速。因此，变频调速是一种简便、高效、安全、实用的调节技术，可以广泛地应用于工业领域的工艺调节及各种自动控制系统。

4 变频调速的广泛应用

　　综上所述，由于变频调速的节能效益可观，并且有利于改善设备运行状况，降低设备损耗，延长设备使用寿命。因此，近年来，工农业生产、市政工程和家用电器领域正在逐渐推广应用变频调速。

　　工矿企业基本上是由三相交流异步电动机来实现电力拖动的，对这些电动机的运行状况，应根据其在生产工艺中的运行特性来具体分析，在众多的泵与风机等设备中，根据运行工况参数有选择性地对某些设备的调节控制采用变频调速，一定能收到节能降耗实效。

　　（1）锅炉风机采用变频调速

　　在火电、热电企业和利用余热余压发电的热电联产工矿企业，锅炉的送、引风机传统的调节方法是采用风门进行机械式的节流调节。此风门是由电动执行器带动来进行调节的，调节风门实际上是对风道管网设置阻力，而拖动风机的电动机的转速没有变化，也就是无节能意义。以某盐化厂为例，其热电站的锅炉型号为ＳＨＦ２０—２５/４００ＡⅢ，配套的送风机功率为１６０kＷ，引风机功率为１１０kＷ.原采用电动执行器调节风门，从多年的实际运行来看，送风机的调节裕量较大，其开度一般约为６０％，说明节能潜力较大；引风机的调节幅度虽然不太大（其正常开度约为８５％），但也不可不调节，尤其是点火起炉时更为重要；运行中若不进行调节，过大的引风也会拖走一些粉煤，既降低了煤的燃烧效率和锅炉的热效率，又加大了对锅炉低温段某些构件的腐蚀、磨损，对锅炉的维护保养极为不利。而传统的风门调节，由于风门的位置处于烟道除尘器后至风机前的进风管内，运行中，通常该风管内带有一些煤粉尘和水汽混合物，对风门的腐蚀较强，加剧了风门的受损。结果，大约每半年的时间就可能会使风门受损而掉下。此风门掉下后进入风机涡室内与旋转的叶轮相碰撞，引起整个风机的强烈振动，很快就使叶轮损坏，轴承箱直至电机外壳振裂，甚至基础螺栓都被咬断，造成风机报废，甚至全厂生产瘫痪。这样的损失很惨重，教训非常深刻。但多年来，一直未找到根本的解决办法，更换调节风门也只是治标不治本。该厂在进行了大量的分析、论证和考察后，本着标本兼治的原则，果断地采用变频调速，对这两台送、引风机进行调节改造，分别在送风机和引风机上加装了两台相应容量的变频 调速器，彻底拆除了引风机的风门，将送风机的风门保持在１００％全开位置。利用变频调速器，只需在控制室操作——调节相应风机电源的频率，即可改变风机的转速，从而方便地对送、引风机进行连续无级调速，使用维修都很方便。

　　节能降耗分析：据统计，两台风机原来每年（生产时间以３００天计算）耗电为１５５５２００ｋWｈ，采用变频调速后，每年耗电为１０５７５３６ｋWｈ，年节电４９７６６４ｋWｈ，节电率为３２％.按当地电价０．６０元/ｋWｈ计算，则每年可节约电费２９８５９８元。同时，采用变频调速后，使风机免遭振动损坏，每年直接节约维修费用为３００００元以上，并且减少了设备故障停机耽误生产的间接损失约５０万元/年。而购置及安装这两台变频调速器及附件的总费用为２８６５００元，不到半年即收回了改造成本，经济效益十分明显。

　　（2）风机采用变频调速

　　制盐企业或其它加工类企业，其后段的干燥系统采用送、引风机与干燥床的有效配合来完成对湿盐的干燥，以前这两台风机也是采用传统的风门节流调节技术，由于制盐等企业的现场环境较差，一般情况下，这种风门使用三个月左右就会因腐蚀而受损，不能正常使用，造成送风和引风风量无法控制，即使勤换风门也是难以保证正常的风量调节。采用变频调速后，送、引风机的风门全开或干脆拆除，而改用变频调速来对相应的风机电机转速进行调节，实现了送、引风量的连续无级大范围调节，能较好地满足生产工艺的需要，既节约了电能，又提高了盐硝的产量和质量，减少了因过大的送、引风造成的盐灰损失，有效地保护了环境；同时，这两台变频调速器可安装在离开送、引风机现场的较好的封闭室内，保持了较好的环境，改善了它们的运行条件，减少了故障率，延长了设备寿命，进一步减少了耽误生产造成的损失，一举多得，经济效益也是十分喜人。

　　（3）给水泵实现变频调速

　　热电站锅炉给水泵以往是没有调节的，锅炉水位的变化是依靠设在给水泵后的管道调节阀（手动阀或电动调节阀）来实现节流调节的。由于这种调节是人为地使给水管道形成阻力，使得给水泵出口至调节阀的压力升高，形成较高的“憋压”，这就加剧了给水泵和调节阀的磨损。如某制盐厂的电动调节阀实际工作期限只约为六个月，而当给水泵采用变频调速以后，锅炉水位的调节，则以调节给水泵的转速为主来实现，而调节阀通常是全开，只是个别情况下才配合减温水调节阀的调节来作为补充调节使用，大大减轻了磨损，延长了使用寿命。这样就使电动调节阀的使用寿命维持在三年以上，并且给水泵的损耗及其电机的耗电也大为下降，节能效益非常可观。

　　（4）循环水系统采用变频调节

　　工矿企业普遍采用循环水系统来对工艺系统进行冷却，确保工艺所需的真空度。根据设计与实际运行工况的对比，很容易找到循环水系统中的设备配置大多数存在不科学、不合理、不匹配的情况。往往在采用的几对冷、热水泵中，它的出口阀门都进行了节流控制，大量的能量被消耗在这些节流阀门上。我们对运行的冷、热水泵采用一对变频泵与多对工频泵并联运行的方式，所有出水阀门全部打开，通过变频泵调速来带动整个循环水系统的上、下水循环运行，以满足不同的流量需求。控制方式采用工频/变频人工切换，先启动变频泵，再启动工频泵。如果变频回路出现故障，可及时切换至工频运行。

　　以某制盐企业的实际运行情况为例，控制上、下水的两台变频设备的运行频率一般约为３０Ｈz，不但本台泵的运行电流大大下降（大约为原来的２６％），而且还改变了并联运行的其它两台水泵工作点及工作特性，使它们的工作效率大为提高，工作电流则明显下降（大约为原来的８２％）。另外，还使得所有冷、热水泵的进、出口阀免受了“憋压”的损害，大大地延长了阀门的使用寿命，节能降耗效果相当明显。

　　（5）其它应用

　　变频调速在工矿企业正在得到广泛应用，除锅炉和其它类干燥的送、引风机，给水泵外，还应用在锅炉给煤机（改转差调速为变频调速）、软化水（除盐水）水泵、工业清水泵、循环泵、卤水净化系统中的各种水泵、采卤及输卤泵、废水处理泵等设备的运行调节中，均可得到较好的节能效益，其收回成本期限均不到一年。另外，根据制盐工艺的特点，有的企业还在生产工艺的进料泵、转料泵的料液调节中应用变频调速与新一代智能型热工仪表有效组合，组成计算机集散控制系统（ＤＣＳ），实现了蒸发罐液位的微机ＰＩＤ闭环自动调节，既节能降耗，又稳定可靠。

5 结束语

　　节能降耗是工矿企业永恒的主题。变频调速技术是近年来应用和推广的新技术，是电力电子科学技术在工矿企业的节能应用，是工矿企业开展技术创新，实现节能降耗的主攻方向，节能效果相当明显。多年来的使用实践证明，设备运行中的工艺参数调节幅度越大，则节能率越高，并且可采用它改善设备运行条件，延长设备使用寿命。近年来，一种新型的变频节能合作方式已经得到了推广，也就是供需双方达成的需方不用投资，而全由供方投资的包设备、安装、调试和维护的全承包合作方式，从节约的电费中来按比例进行得利分成，实现一家投资两家受益的利益共享模式，很值得工业企业引进和推广。随着“一家投资，两家受益”的双赢合作模式的灵活运用和推广，变频调速器将赢得更大的发展空间，变频调速的节能应用也将越来越广泛，将为工矿企业生产经营的又好又快发展起到有力的促进作用