0 引言

天脊煤化工集團有限公司是國家大型煤化工企業(yè)，其產品在市場占有一定的優(yōu)勢地位。在公司各種設備中，動力設備占很大比例，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，隨著變頻調速技術的迅速發(fā)展，變頻調速器以其體積小，重量輕、可靠性高、通用性強、調速范圍大，保護功能全、特性硬及節(jié)能等優(yōu)點，倍受人們的青睞。為此公司應用變頻技術在各生產系統(tǒng)重點改造了幾個項目，改造后效果良好，這為公司其他項目的改造提供了實踐經(jīng)驗。

1 變頻調速的工作原理

由電動機特性可知，異步電動機輸出軸轉速(簡稱電機轉速)為n=(1-s)伊60伊f/p，其中，n 為電動機同步轉速;f 為電動機定子供電頻率;p 為電動機極對數(shù);s=(no-n)/no 為轉差率;n0 為異步電動機的轉速。

以往的電機調速大多通過改變參數(shù)p 和s 實現(xiàn)的。由于交流異步電動機的轉速與同步轉速之間的轉差率s 極小，若將這一微小差別忽略不計則上述公式可近似等同于電機的轉速公式。異步電動機的變頻調速就是通過均勻地改變定子供電頻率f，平滑地改變同步轉速而實現(xiàn)調速的，并且在調速過程中，從高速到低速均能保持較小的轉差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能，以及足夠強度的機械特性，并可實現(xiàn)無極調速，因此，變頻調速是異步電動機比較理想的調速方法。

2 變頻調速節(jié)能原理分析

在化工行業(yè)，負荷以泵類為最多，風機類次之，另外還有螺桿壓縮機類、攪拌器類等，其中泵類和風機類占到總負荷的80%以上。在以往的生產中，對風機、泵的流量、壓力等參數(shù)的控制主要是依靠調節(jié)風門的開啟度或者通過節(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，致使大量的電能消耗在克服風門及管道的系統(tǒng)阻力上。而變頻調速可以通過調節(jié)電動機的轉速來控制流量或壓力的大小，當轉速減小時，電動機的能耗以轉速的三次方的速率下降，節(jié)能效果非常顯著。變速調速是在管路特性曲線不變時，通過改變轉速來改變風機或泵的性能曲線，從而改變它們的工作點。變頻調速特性曲線如圖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 為閥門關小時的特性;曲線2 為閥門全開時的特性;曲線3為額定轉速下的揚程特性曲線。閥門關小后，泵的流量由qA下降到qB，泵的工作點自A 點轉移到B 點后穩(wěn)定工作，可以看到此時流量減少，但同時泵的揚程有所增加，由h(G)增加到了h(F)，此時電機功率與面積OEBF成正比。曲線4是在保持閥門開度不變的情況下，通過變頻器來調節(jié)泵的轉速的曲線?？梢钥闯?，泵的工作點由自A 點轉移到C 點，流量自qA減少到qB，泵揚程自h(G)降低到了h(H)，電機所消耗的功率比調節(jié)節(jié)流閥消耗的功率要低，其功率與面積OECH 成正比，對兩種方法進行比較，從圖中可以看出，變頻調速節(jié)省的功率駐P與面積HCBF成正比，節(jié)能效果顯著。

從另一個角度來看，根據(jù)液體力學原理可知：

輸出風量(或液體量)q 與風機的轉速n 成正比;輸出壓力h 與轉速n 的二次方成正比;輸出功率P與轉速n 的三次方成正比。即q1/q2=n1/n2;h1/h2=(n1/n2)2;P1/P2=(n1/n2)3;若轉速下降20%，則功率下降到51.2%;若轉速下降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。

在變速調速的情況下，當風機低于額定轉速時，理論節(jié)電為E=[1-(n1/n)3]Pt (kW·h)其中，n 為額定轉速;n1 為實際轉速;P 為額定轉速電動機功率;t為工作時間。

由于采用變頻調速所需費用比較高，所以其一般在大功率風機上應用價值較大，在小功率風機上一般不推薦使用。

3 改造項目和效果

3.1 X-1601給煤機PIV 的變速改造

天脊集團共有6 臺X-1601 給煤機，擔負著1600# 鍋爐制粉系統(tǒng)的供煤任務，是鍋爐系統(tǒng)中的重要組成部分，給煤機是重要的輔助動力設備。其負荷是依靠電機帶動PIV 無級變速器(錐盤組鏈條式的無級變速器)來調節(jié)的。磨煤機中的煤量隨負荷及工況變化而改變，因此，需要根據(jù)工藝要求，對給煤機的流量進行調節(jié)。原鍋爐系統(tǒng)的給煤機都是通過改變出口閥門的開啟度來調節(jié)給煤量的，這是一種以增加阻力犧牲能量為代價的流量調節(jié)，當流量減少時，電機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。此種方法存在設備復雜，易出現(xiàn)故障點多、運行可靠性差、調速精度及線性度差、維護工作量大等缺點，同時調速電機長期在額定轉速下運行，處于高耗能運行狀態(tài)，運行極不經(jīng)濟。針對給煤系統(tǒng)存在的缺陷及變頻調速的優(yōu)點，對給煤機進行了變頻改造。

去除PIV減速機和其驅動電機，更改為變頻調速電機直接驅動安全離合器、WGW 減速機，以實現(xiàn)動力傳遞。由變頻調速系統(tǒng)控制鍋爐給煤機變速供煤后，設備運行穩(wěn)定，調速平穩(wěn)，能夠滿足機組各種工況下的給煤需求，而且運行可靠性也得到顯著提高。

實測一臺4 kW 給煤機在安裝變頻調速系統(tǒng)前后各項技術指標對比如表1 所列。

由表1 可知由變頻調速電機代替普通異步電動機后綜合節(jié)能效果顯著。一臺4 kW給煤機沒裝變頻調速器前工作電流在8~9 A之間，實際每天用電量140 kW·h，使用變頻調速器后工作電流在4耀5 A之間，實際每天用電量75 kW·h，每天可節(jié)電65 kW·h，每年可節(jié)電19 500 kW·h，6 臺4 kW給煤機一年共節(jié)電117 000 kW·h。按0.40 元/kW·h 計，年節(jié)約電費117 000伊0.40=46 800 元=4.68 萬元。

另外，原PIV 變速器故障率高，每臺費用約20 萬元，A/B 兩爐各備機一臺，僅備機一項就需40 萬元。改造后設備運行穩(wěn)定，僅備機這一項年節(jié)約費用就達40 萬元。

原設備維護成本高，由于PIV故障，每月每爐約停制粉系統(tǒng)一小時，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10 個月，每t 柴油5 000 元計，兩爐一年消耗燃油費用6伊10伊5 000=300 000元=30萬元。

此次改造不僅簡化了給煤機的傳動過程，方便了工藝控制，還消除了PIV故障的隱患，實現(xiàn)了安全穩(wěn)定運行，運行一年未發(fā)生一次故障，有力的保證了生產的順利進行。綜合年經(jīng)濟效益為4.68+40+30=74.68萬元。

3.2 氣化爐CY201A-D液壓驅動的變頻改造

公司氣化爐采用魯奇加壓氣化技術，其中氣化爐爐蓖、布煤器的轉動是由液壓馬達經(jīng)減速機減速后驅動。由于液壓設備存在結構復雜，管路繁多，維修不便、維修費用昂貴等原因，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)的正常運行。

在1#、2#、3#爐的氣化爐爐篦、布煤器的驅動方式由液壓驅動改為變頻電機驅動后，減少了爐篦、布煤器的故障，運行平穩(wěn)，維修量明顯減少，實現(xiàn)了中控調速，操作方便，提高了氣化爐的運轉率，這為合成擴產后設備的長周期穩(wěn)定運行提供了保障。每爐年節(jié)約檢修費用45.5 萬元，三爐合計年節(jié)約檢修費用45.5伊3=136.5萬元。[!--empirenews.page--]

改造后，每臺氣化爐爐篦增加2臺YBP200L-4變頻電機，布煤器增加1 臺YBP180M-4 變頻電機，共增加電機9臺，具體參數(shù)如表2所列。

氣化爐為四開一備，以年運行330 天計算，單爐運行時間為264天;按電費0.40 元/度計算，年消費電量為(18.5伊6+11伊3)伊264伊24=(111+33)伊264伊24=912 384 kW·h，電費為912 384伊0.4=364953.6 元=36.5 萬元，改造后年效益為136.5-36.5=100 萬元，改造費用為80 萬元，不用一年就可收回投資。

4# 爐計劃在原庫存?zhèn)浼褂猛旰笤僮龈脑臁?/p>

全部改造完后，預計年效益將達到133 萬元。

3.3 深井變頻調速

公司供水系統(tǒng)深井分為兩個井群，由4 臺大泵和3臺小泵組成，系統(tǒng)供水量大，所以水量的平衡調節(jié)困難，加上用水量不穩(wěn)定，致使工藝調整更為不便。而在生產系統(tǒng)突然減水量，但提取的水又沒使用完的情況下，會造成加壓泵站水池溢流或就地排放以及深井泵的頻繁開停等，這既浪費電又浪費水資源，有時還會因溢流造成沖毀農田進行賠償?shù)氖鹿剩o公司造成損失。2005 年，公司在對2# 井群進行改造時，用一臺ABB 的ACS600 變頻器帶兩臺20J1000伊2 深井泵運行，及時調節(jié)水量，減少了加壓泵站水池溢流的現(xiàn)象。

對深井供水系統(tǒng)進行變頻技術改造，改變了原有控制模式，采用一臺變頻器切換帶兩臺深井泵，并在一級站水池增設水位反饋探頭和控制室手動調節(jié)裝置的方式，通過設定水池液位，變頻器自動控制出水量，滿足了供水系統(tǒng)水量調節(jié)要求，不但杜絕了水池溢流現(xiàn)象，而且節(jié)約了電費，年經(jīng)濟效益達22.6 萬元。實際投資36.29 萬元，二十個月就可收回投資。

2008 年在水源1#井群1#-1，1#-2 增加深井變頻調速系統(tǒng)，一臺EV2000-4T1320G 變頻器帶2臺490 m3/h 深井泵運行，可根據(jù)需水量任意調節(jié)出水量，與2# 井群相配合，實現(xiàn)了真正意義上的水量平衡，完全滿足了工藝生產的要求。

該裝置投資額為25 萬元。按每年平均工作10 個月，平均電價0.4 元/ kW·h計算，年節(jié)約電能18.86伊104 kW·h，年節(jié)約電費7.544 萬元，節(jié)電率45%，投資回收期為三年四個月。

3.4 W-404A 的變頻改造

W404 是合成變換氣空氣冷卻器，來自300#變換工號的302益的變換氣經(jīng)干式冷卻器W401，被鍋爐給水冷卻到181益，進入鍋爐給水預熱器W402，冷卻到131益，隨后進入空氣冷卻器W404進一步冷卻到70益后送到終冷器W405。

隨著公司合成氨設備擴產后的投入運行，煤氣冷卻系統(tǒng)負荷隨之增加，對空冷器的調節(jié)要求也越來越高。W404 調整溫度需要手動調整風機漿葉角度，當系統(tǒng)減負荷時，如果調整不及時容易造成W404出口溫度過低，導致列管堵塞，系統(tǒng)壓差過大;反之，會造成后系統(tǒng)入口溫度過高，不利于后系統(tǒng)的操作。

2006 年對空冷器的調節(jié)方式進行改造，由機械方式改為變頻電機直接調節(jié)風機漿葉的轉速，這樣，能夠根據(jù)負荷調整W404出口溫度，方便了操作，避免了設備堵塞，滿足了合成擴產后煤氣冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求。

3.5 電磁振動給料機改為變頻振動給料機

將KL1004A、KL1002A/B/C 4臺電磁振動給料機改為變頻給料機，控制信號進入中央控制室由PLC控制，電機由4 kW改為3.7 kW。改造后維修量大幅下降，減少了備件的消耗和工人的勞動強度。以年生產300天計，年節(jié)約電費(4-3.7)伊24伊300伊0.40伊4=3 456元。

3.6 122A/B滑差調速改變頻調速

122A/B 是復肥礦粉干燥系統(tǒng)的咽喉設備，使用滑差調速裝置來控制調整礦粉流量的大小，從而決定礦粉干燥系統(tǒng)輸送干燥程度及均勻效果。該調速部分由于運行多年，設備明顯老化，故障頻繁，且處理時間長，制約生產的正常運行。

2007 年對原有的滑差調速裝置進行了變頻調速改造，拆除了原有的滑差控制器，增加了一面變頻調速柜，采用日本安川CZMR-G7A4595 型變頻器，同時將現(xiàn)場的滑差電機更換為普通異步電動機。

變頻改造后效果良好，速度調整平滑可靠，調節(jié)方便，故障率低，同時大大簡化了接線，給運行維護提供了很大的便利。

4 結語

應用變頻技術在公司相關設備中進行技術改造后，系統(tǒng)運行效果良好，維護工作量很小，達到了節(jié)約能源降低消耗的預期目的。對變頻器的應用及改進的實踐表明，變頻器取代以往的恒速電機，不僅線性度好，靈敏度高，使得電動機調速系統(tǒng)運行可靠、維護方便。而且變頻器能較好地與DCS 系統(tǒng)實現(xiàn)自動調節(jié)控制功能，確保了輸出量隨時與工藝實際工況要求相平衡，使拖動電機與負載處于最佳的匹配運行狀態(tài)，節(jié)能效果顯著，同時，延長了易損件的使用周期，降低了維修費用。

作者簡介：

張紅兵，男，工程師，在天脊集團生產運行部從事技術改造工作。

參考文獻：

[1] 徐旭東.石化企業(yè)變頻器的應用[J].大氮肥，2007，30(6)：376-380.