（深圳市庫(kù)馬克新技術(shù)股份有限公司 蘇冬、劉俊強(qiáng)）

1. 引言

      近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，中國(guó)對(duì)能源的需求在持續(xù)較快增加，這已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸。緩解能源瓶頸制約的根本出路是堅(jiān)持開(kāi)發(fā)與節(jié)約并舉，節(jié)能優(yōu)先的方針，大力推進(jìn)節(jié)能降耗，提高能源利用效率。

       風(fēng)機(jī)和水泵是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的重要設(shè)備，也是占比重很大的高能耗設(shè)備。以往最常用的控制手段是調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度、閥門(mén)開(kāi)度的大小來(lái)調(diào)整受控對(duì)象。這樣，不論生產(chǎn)需求大小，設(shè)備都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下。

      隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器一改普通電動(dòng)機(jī)只能以定速方式運(yùn)行的陳舊模式，使得電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)負(fù)載在無(wú)須任何改動(dòng)的情況下即可以按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電機(jī)功耗達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的，因此開(kāi)始有越來(lái)越多的企業(yè)選擇采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案，來(lái)逐步取代風(fēng)門(mén)、擋板、閥門(mén)的控制方案。

4#母液泵是屬于貴州分公司氧化鋁廠二分解工序，它主要是負(fù)責(zé)將母液槽內(nèi)的母液輸送到蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)?，F(xiàn)有運(yùn)行系統(tǒng)，存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1）負(fù)載匹配的問(wèn)題，設(shè)備傳動(dòng)方式為直接拖動(dòng)，正常運(yùn)行時(shí)設(shè)備與工藝不是非常匹配，有節(jié)能空間；

2）控制系統(tǒng)不完善，現(xiàn)有控制采用水電抗啟動(dòng)，母液泵一直運(yùn)行，無(wú)法保證母液槽液位的穩(wěn)定，結(jié)果增加系統(tǒng)所耗電能；

3）控制方式落后，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的水電抗啟動(dòng)模式，控制落后，能耗較高。

2. 改造方案

本方案采用1套6V變頻調(diào)速裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)液泵，并配置工頻旁路功能。

1）系統(tǒng)構(gòu)成

高壓變頻裝置配ES9000變頻器1臺(tái)、旁路開(kāi)關(guān)柜1臺(tái)（用于變頻/工頻切換）、計(jì)量柜1臺(tái)。

2）6kV高壓變頻裝置

      ES9000高壓變頻裝置是由深圳庫(kù)馬克新技術(shù)股份有限公司在多年電氣傳動(dòng)和自動(dòng)化工程應(yīng)用豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用當(dāng)今世界最先進(jìn)的可靠性熱設(shè)計(jì)和冗余設(shè)計(jì)理念，結(jié)合中國(guó)國(guó)情并采用工業(yè)級(jí)數(shù)字信號(hào)為處理器、大規(guī)模集成電路芯片和新一代高可靠性IGBT功率器件，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出的高可靠性變頻節(jié)能系列產(chǎn)品。ES9000系列高壓變頻節(jié)能寶采用多單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，主回路主要由多繞組供電變壓器和數(shù)個(gè)逆變單元構(gòu)成。多繞組供電變壓器為每個(gè)逆變單元單獨(dú)供電，并實(shí)現(xiàn)單元之間的供電電源隔離和與電網(wǎng)之間的隔離。主回路結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖一

      ES9000高壓變頻節(jié)能寶的輸入側(cè)配置有多繞組隔離變壓器，變壓器的副邊有多個(gè)相互隔離的三相繞組，每三個(gè)三相繞組組成一個(gè)同相位組，向三個(gè)單元獨(dú)立供電，形成6脈沖整流輸入。6kV等級(jí)的ES9000有6個(gè)同相位組，6個(gè)同相位組構(gòu)成36脈沖輸入。

3）旁路開(kāi)關(guān)柜

自動(dòng)旁路柜的變頻裝置主回路圖如下：

圖 四

      6kV電源經(jīng)6KV中壓配饋線柜Q1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出真空接觸器K2送至電動(dòng)機(jī)；一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上可以控制在0.1S內(nèi)完成斷開(kāi)變頻器輸入側(cè)真空接觸器K1和輸出接觸器K2,將變頻裝置隔離，同時(shí)閉合真空接觸器K3，電源經(jīng)K3直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。K2、K3之間具有閉鎖和防止誤操作功能。

4）手動(dòng)/自動(dòng)

      變頻設(shè)置高低速兩檔，且可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)速。通過(guò)操作臺(tái)上的手/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)，可以進(jìn)行運(yùn)行方式的選擇。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)變頻器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)高、低速運(yùn)行，如因生產(chǎn)需要可以改為手動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行的目的。

5）本地/遠(yuǎn)程控制功能

      變頻裝置具備本地/遠(yuǎn)程控制功能。本地控制為通過(guò)變頻器柜上的操作面板進(jìn)行就地人工啟動(dòng)、停止、頻率調(diào)節(jié)等。遠(yuǎn)程控制放在爐前控制室，設(shè)有操作臺(tái)和上位機(jī)，由配電工操作控制。通過(guò)上位機(jī)配電工可以隨時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況，通過(guò)操作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻哭進(jìn)行簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)方操作。配電工可以根據(jù)工況自由選擇變頻器“手動(dòng)/自動(dòng)”調(diào)速運(yùn)行。

3. 節(jié)能分析

      離心泵類(lèi)設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，泵的流量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，泵的壓力與電機(jī)的轉(zhuǎn)速的兩次方成正比，泵的軸功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。根據(jù)上述原理可知，當(dāng)改變風(fēng)機(jī)、泵的轉(zhuǎn)速就可改變風(fēng)機(jī)、泵的功率。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察，二分解4#高壓母液泵參數(shù)如下：

額定軸功率：355KW 額定電壓：6KV

電機(jī)功率因數(shù)：0.88 額定壓力：5.5KG

額定流量：585m3 實(shí)際需求壓力：2.6KG

實(shí)際工作電流：28A 實(shí)際流量：500m3

根據(jù)以上實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及以上變頻調(diào)速節(jié)能原理可對(duì)變頻運(yùn)行節(jié)能率進(jìn)行計(jì)算：

 

閥門(mén)控制時(shí)實(shí)際消耗功率：

P_{風(fēng)門(mén)控制}=1.732×U×I×cosφ/η=1.732×6×28×0.88=256kW

式中：

P_{風(fēng)門(mén)控制}——實(shí)際運(yùn)行軸功率

U——工作電壓

I——實(shí)際電流

cosφ——功率因素（額定為0.88,未滿(mǎn)載時(shí)功率因數(shù)會(huì)變低，但是貴州分公司有高壓補(bǔ)償，按額定計(jì)算）

 

變頻運(yùn)行時(shí)預(yù)計(jì)消耗功率：

變頻運(yùn)行時(shí)功率與流量有如下關(guān)系：

Q1/Q2=N1/N2 （1）

H1/H2=(N1/N2)² （2）

P1/P2=(N1/N2)³ （3）

其中：

N1為實(shí)際轉(zhuǎn)速、N2為額定轉(zhuǎn)速

Q1為實(shí)際流量、Q2為額定流量

H1為實(shí)際壓力、H2為額定壓力

P1為實(shí)際軸功率、P2為額定軸功率

本設(shè)備液位指標(biāo)為負(fù)荷調(diào)整依據(jù)，因此由（1）、（3）式得實(shí)際運(yùn)行功率：

理論運(yùn)行軸功率： =355×0.855³=190kW

理論節(jié)省軸功率為：256－190＝66KW

節(jié)電率=（P_{風(fēng)門(mén)控制}－P1）/ P_{風(fēng)門(mén)控制}×100%=（256－190）/256×100%=25.7%

 

壓力數(shù)據(jù)修正：

理論運(yùn)行軸功率： =355×0.6876³=80kW

理論節(jié)省軸功率為：256－80＝176KW

修正節(jié)電率=（P_{風(fēng)門(mén)控制}－P1）/ P_{風(fēng)門(mén)控制}×100%=（256－80）/256×100%=68.7%

式中：

P_{風(fēng)門(mén)控制}——閥門(mén)控制量時(shí)實(shí)際運(yùn)行軸功率

P1——變頻運(yùn)行時(shí)實(shí)際運(yùn)行軸功率

 

預(yù)計(jì)節(jié)電率：

在當(dāng)前用流量及壓力情況下，兩者較小者為以流量控制為主的節(jié)電率，因此根據(jù)修正原則，母液泵的變頻運(yùn)行理論節(jié)電率25.7%。

 

節(jié)能量對(duì)比：

考慮4#高壓母液泵在生產(chǎn)中的特殊性，其年運(yùn)行按11.5個(gè)月計(jì)算，即8280小時(shí)，

1）改造前

該設(shè)備一年所消耗電能為：

W_{風(fēng)門(mén)控制}=Pt=256x8280=2119680kW·h

節(jié)約電費(fèi)電費(fèi)按0.5元/kW·h計(jì)，則所需電費(fèi)為：

Q_{風(fēng)門(mén)控制}=W*K=2119680x0.5=1059840（元）

2）改造后

該設(shè)備一年所消耗電能為：

W_變頻控制=Pt=190x8280=1573200kW·h

節(jié)約電費(fèi)電費(fèi)按0.5元/kW·h計(jì)，則所需電費(fèi)為：

Q_變頻控制=W*K=1573200x0.5=786600（元）

綜上所述，預(yù)計(jì)安裝高壓變頻后，其節(jié)后節(jié)能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益如下表所示：

 

                              

 

4. 結(jié)束語(yǔ)

      目前，此項(xiàng)目已在2012年5月完工，經(jīng)過(guò)三個(gè)月的試運(yùn)行，實(shí)際驗(yàn)收節(jié)電率為40.33%，一臺(tái)母液泵預(yù)計(jì)年節(jié)電量在104萬(wàn)千瓦時(shí)，遠(yuǎn)優(yōu)于我們的計(jì)算值，并且通過(guò)此次變頻改造，優(yōu)化了設(shè)備性能，大大減少了泵的震動(dòng)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命；有效的減小噪音，改善工作環(huán)境；系統(tǒng)發(fā)熱明顯減少，延長(zhǎng)密封組件的使用壽命，降低停機(jī)維修率，節(jié)省大量的維護(hù)費(fèi)用，此次改造取得了比預(yù)期更好的效果。