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    公司要聞

    變頻調速技術在電機系統節能中的應用

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    電機系統應用現狀

     電動機廣泛應用于拖動風機、泵、鼓風機、空氣壓縮機、制冷機和各種機床等機械傳動裝置及其他各類電氣設備,是量大面廣的終端耗能大戶。電機系統包括電動機、被拖動裝置、傳動控制系統及管網負荷。據統計,2010年我國各類電動機總裝機容量約為10億kW,年耗電量達2.38萬億kWh以上,約占全國用電量的57%。其中,風機、泵類、壓縮機和空調制冷機的用電量分別占全國用電量的10. 4%、20. 9%、9.4%和6%。
        改革開放以來,我國制造業有了長足發展,近些年企業通過自主研發和消化吸收,電動機、風機、泵、壓縮機等相關產業的產品性能、質量有了顯著提高,對推動電機系統的節能工作起了很大的促進作用。
        提高電機系統的能效,就是要在滿足工藝要求的前提下,消耗最少的能源,其能效提高的潛力在于電力變壓器、電機、拖動設備的自身效率及匹配達到最優。
         電機系統節能潛力
       中小型電機用電量約占總發電量的50%以上,其產量的增長速度最能反映國民經濟的增長速度,是國民經濟中的重要產業。我國20世紀末前的一、二十年,年產量基本在3千萬kW左右。進入二十一世紀,國民經濟高速發展,中小型電機也處于快速發展階段。據國家統計局公布的數據,2008年我國交流電動機的產量達到創紀錄的2億kW,從2003年起首次突破1億kW,2003年至2008年底,我國交流電動機的總產量已突破9億kW,相當于建國后50多年總和的近兩倍,而同期我國新增發電機裝機規模約4.5億kW(總裝機規模達8億kW),為建國后50多年總和的1.3倍。從國際市場需求來看,2008年中小型電機的年出口量達3千多萬kW。我國已經成為世界上最大的中小型電機生產、使用和出口大國。根據國際通用估算方法,電動機裝機容量為發電機裝機容量的2.5~3.5倍,據此推算,今后較長一段時期,電動機產量還將會持續快速擴大。中小型電機產業市場巨大,充分表明了中小型電機及系統在國民經濟和社會發展中有著不可替代的重要地位和作用。
      電機系統節能是當今國際高度關注和重點研究的領域,也是我國“十一五”乃至“十二五”期間實施節能減排既定國策的重點關注領域。隨著全球能源消耗的逐年快速增長,節能降耗、減排,減少溫室氣體排放已成為全球共同關注的重大問題,中小型電機系統節能潛力巨大,已經成為世界各國政府和國際組織的共識。2008年我國全年總用電量為3.427萬億千瓦時,其中中小型電機系統用電1.95萬億千瓦時(折合標煤7.9億噸)以上,約占全國總用電量的57%。
      由于發達國家政府和國際組織的大力推動,國際領先企業已投入了大量人力、物力、財力,在節能型中小型電機及系統的研究開發及產品的推廣應用方面取得了突破性進展。但與眾多國家比較,我國的電機系統尚存在很大的節能潛力和技術升級空間,長期以來我國在電機產品高效化、匹配的精細化、專用化方面、在專用高效電機產品的設計技術和研發手段、設施方面以及在電機控制等方面與發達國家有較大差距。主要表現在:
              (1)電動機及被拖動設備效率低。電機產品效率比國外先進水平低2%~5%,雖然國產高效電機與國外先進水平相當,但價格高、市場占有率低;風機、泵、壓縮機產品效率比國外先進水平低2%~4%,雖然設計水平與國外先進水平相當,但制造技術和工藝有差距。
        (2)系統運行效率低。主要體現在系統匹配不合理,“大馬拉小車”現象嚴重,設備長期低負荷運行;系統調節方式落后,大部分風機、泵類采用機械節流方式調節,效率比調速方式約低30%。電機系統就運行效率而言要比國外先進水平低10%~20%,相當于每年浪費電能約1500億kWh。
      統計數據表明:發達國家的電機的運行效率比我國高3~5%,系統運行效率要高25~30%,我國的電機及系統領域具有很大的節能空間。以2008年全年電機系統耗電計算,若改造現有電機系統的一半,使之平均提高運行效率25%,則可節約用電2575億千瓦時/年以上,折合標煤1.04億噸以上,相當于三峽08年發電總量的兩倍。既可節約電能,又可節約建電站的投資和相應配套設施的投資,還大大減少了CO2等有害氣體的排放,是實現十一五期間單位GDP能耗降低20%的重要手段,也是低碳經濟的重要組成部分。巨大的節能市場需求為我國中小型電機及系統的節能技術和產品的發展提供了難得的機遇。
    電機系統節能解決方案——變頻調速節能技術
      據統計,全世界的用電量中約有60%是通過電動機來消耗的。由于考慮起動、過載、系統安全等原因,高效的電動機經常在低效狀態下運行。在這些電機中,有相當一部分通過采用變頻器對其進行調速控制,有可能使電動機重新回到高效的運行狀態,這樣可節省大量的電能。
    變頻調速原理
      根據三相異步電動機的原理,三相異步電動機的軸轉速與供電電源的頻率之間有如下關系: 
      (1)
      n——電機轉速
      f——電源頻率
      s——轉差率
      p——電機極對數
    考慮到轉差率s一般<<1,所以當電機的極對數一定時,電機的轉速和電機供電電源的頻率成正比關系,因此可以通過調整供電電源的頻率來控制三相異步電動機的軸轉速。
    負載類型
      在實際的生產機械中,電動機的負載種類千差萬別,但我們可以將這些負載種類歸結到平方轉矩﹑恒轉矩、恒功率和粘滯性負載等幾類特性。而平方轉矩和恒轉矩負載特性占了全部負載中的絕大多數,我們只討論這兩種負載。
    平方轉矩負載
    平方轉矩負載的特性為:電機的軸功率與電機轉速的3次方成正比關系,即

    d813635d-331d-4f0f-9473-c7e353a93629.jpg  (2)
      式中ne、Ne—水泵的額定轉速和額定軸功率
           n、N—水泵運行時的轉速和功率
    恒轉矩負載
    恒轉矩負載的特性為負載的轉矩不隨轉速變化而變化,電機的軸功率與電機的轉速成正比關系,即

    916e44de-614a-446e-9829-79ad612b1958.jpg    (3)
    式中n--三相異步電機的轉速
    N--三相異步電機運行在n轉速的軸功率
    k--傳動系數,當轉矩一定時,k為常數
    變頻調速節能原理
      變頻調速節能原理從以上二種負載類型來說明:
    平方轉矩負載節電原理
    典型的平方轉矩類型負載是風機和水泵。從流體力學的原理來說,風機輸出的風量或水泵輸出的水流量∝風機或水泵的轉速,風機輸出的風壓或水泵輸出的揚程∝風機或水泵轉速的2次方,風機或水泵的軸功率∝風機或水泵轉速的3次方。因此若轉速下降20%,則功率可下降48.8% ;若轉速下降50%,則軸功率可下降87.5% ,即使考慮調速裝置本身的損耗等因素,節電也是相當可觀的。
    恒轉矩負載節能原理
    對于恒轉矩負載有
       (4)
    式中NL--負載軸功率
    TL--負載轉矩
     n--負載轉速
    由于負載轉矩一定,所以軸功率和負載轉速成正比關系。當負載轉速的變化不影響產品的產量和質量時,應盡可能的降低電機轉速,達到節能的目的。
    變頻調速節能技術適用范圍
      許多行業、如鋼鐵、有色、石油、石化、化工、紡織、機械、電力、建材、醫藥、煤炭、造紙、卷煙、酒店、自來水等行業都在許多設備中采用交流電機變頻調速技術,產生節電、提高產品質量及增產的效果。
    節能潛力
    變頻器要節電是有一定條件的。在不影響使用的條件下,適當改變工況參數后,把不合理運行參數所消耗電能節省下來,就可做到從一般運行轉變成經濟運行。
    要節能一定要降低頻率,頻率下降值越大,節電越多。不降低頻率,變頻器原則上是不能節電的。
    與電動機負載率有關。負載率在10%~90%時,節電率最多約8%~10%,負載率低相應節電率高些。但無功節電率大約40%~50%,是不計電費的。
    與原來的運行的工況參數值的合理程度有關。例如,與壓力、流量、轉速等可調節的量值大小有關,可調整量大,則節電率就高,否則相反。
    與原來采用的調整方式有關。采用進口或出口閥門方式來調整運行參數的,很不經濟,若改為變頻器調速,則經濟合理。使用變頻器調速后,比用人工閥門調整運行方法,能多節電達20%~30%。
    與原來采用的調速方式有關。例如,原來用滑差電動機調速,因調速效率低,尤其在中、低速時,效率只有50%以下,很不經濟,改為變頻器調速后,把這部分電能節省下來了。目前輕工、紡織、造紙、印染、塑料、橡膠等行業中,大多還在使用滑差電動機,故使用變頻器來實現節能,技術改造工作是當務之急的事。
    與電動機工作方式有關。例如,連續運轉、短時運轉、間歇運轉的節電量是不同的。
    與電動機開動時間長短有關。例如,一天開機24h,一年開365天的節電量就大,反之則小。
    與電動機本身功率大小有關。同樣節電率下,功率大的節電量值大,經濟效益就大,哪怕節電率相對小功率電動機低些,但實際收益較大。
    與本單位生產工藝設備重要性有關。首先要選產品電耗大的、產品成本高的、現用的調速方式是不夠經濟合理的設各加以改造,改用變頻器后就能有立竿見影、事半功倍的效果。
       在選用變頻器調速或節能時,應該遵守以上10條原則,作為決定方案的前提。當地電費價格高的,在同樣節電量時,經濟收益就更大,這也是必然要考慮的事。

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    節能案例一
    變頻調速技術在工藝風機節能中的應用
      某玻璃生產廠生產鋼化玻璃時,須將普通玻璃經過鋼化爐處理后形成鋼化玻璃。鋼化爐有加熱爐、冷卻段和風機系統組成。鋼化玻璃工序工藝流程見圖1:
    經過磨邊處理的玻璃片從上片臺進入到加熱爐內,被加熱到600-700℃左右,達到軟化

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    狀態,然后進入鋼化冷卻段。鋼化冷卻段由滾道和風柵組成,滾道將軟化狀態的玻璃送入到風柵區,依靠冷卻風機吹風急劇冷卻,在玻璃表面和內部形成溫度梯度,玻璃表面會形成巨大的壓應力,達到玻璃鋼化的目的。之后已鋼化的玻璃繼續在風柵內被冷卻到50℃左右后,送出到下片臺,然后從下片臺將鋼化成形后的玻璃取片。
    圖1    鋼化玻璃工序工藝流程
      實際上玻璃鋼化的時間非常短,大概只有10s左右,其余時間主要是用來冷卻和待機。在鋼化成形時,由于要在玻璃表面形成巨大的溫度梯度,因此必須要用大量的空氣來冷卻,但在冷卻段和待機段,則不需要那么多的風量。另外,玻璃的厚度不同,其所需風量也不同,玻璃越薄,冷卻風量需要越大, 生產到厚玻璃時,所需要的鋼化冷卻風量也隨之減少,為了滿足最惡劣的工況,所以風機的功率配的很高,通過調節風機進風口上的風門來滿足不同的工藝需求。
      傳統的調節風量的方法是阻擋風機入口的面積,使風機的進風量減小,以達到減小風量的目的。這時候風機的軸功率與風量的關系可以由圖1中曲線1表示,而用調速方式來減小流量時,風機的軸功率和風量的關系可以由圖1中的曲線2表示,中間部分就是這兩者之間的節能量。從圖1可以看出,在風量需求較小時,其節能量是很大的。當風量需求減少20%

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    時,節能率約為36.16%,當風量需求減少30%時,節能率約為52.33%,當風量需求減少50%時,節能率約為78.72%。
      圖3、圖4為鋼化爐生產線和鋼化爐風機系統

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    該系統風機是由一臺250kW、4極、380V的三相異步電機驅動,原先工作風量是由操作工根據加工玻璃的厚度,設定輸入風門的開度,達到調節風量大小的目的。根據上述工況,采用變頻技術進行節能改造,變頻器選用上海格立特VC2000型產品。改造后,操作工根據加工玻璃的厚度,設定變頻器的輸出頻率,達到調節風量大小的目的。表1是改造前后2種規格的玻璃鋼化時節能率的對比,表2是改造前后年用電量對比。

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    節能案例二
    變頻調速系統在中央空調系統中的節能應用
      某大廈是一座集餐飲和寫字樓為一體的綜合性商務大樓。該大樓有26層主樓和5層裙樓組成。占地面積6630 m2,建筑物占地面積2010.2m3,建筑面積42397.4m2,其中地上32693.0 m2,地下9704.4 m2。
      該大廈主樓地面26層,地下二層。制冷主機采用廣州日立冷機有限公司風冷熱泵式冷水機組,主機和循環水泵均安裝于裙樓樓頂上,各樓層配置組合式空調箱,各房間均配置風機盤管。
      中央空調主機有4組8臺,均為風冷型制冷機,每組制冷主機的冷媒水進水總管上有一電磁閥,可通過BA系統控制閥門的開和關。
      冷媒水泵6臺,其中
      1#-2#水泵型號為DFW150-160(1)/2,流量160m3/h,揚程32m,功率22 kW, 2900 r/min,效率75%。配套電機型號為Y2-180M-2,額定功率22kW,額定電壓380V,電流40.5, 轉速2940r/min,功率因素0.911
      3#-6#水泵型號為DFW150-315/4,流量200m3/h,揚程32m,功率30 kW, 1450 r/min,效率79%。配套電機型號為Y2-200L-4,額定功率30kW,額定電壓380V,電流57.6, 轉速1470r/min,功率因素0.865。
      主機系統原理圖見圖1。
      大廈主樓1層大堂空調采用集中送風方式,配有1臺組合式空調箱,風機為3kW風機2臺。2層及以上共有206間辦公用房(未隔斷的毛坯房),每間辦公用房安裝有2至3臺空調盤管,共有609臺空調盤管。每臺空調盤管都配一個電磁閥門,做開、關控制。每層配有一臺組合式空調箱做送新風之用,風機均為0.8kW。
      大廈主樓系統原理圖見圖3。
      裙樓1層為大堂,2層為餐廳,3至5層為辦公用房,空調均為集中送風方式,每層有一臺組合式空調箱,1層配用風機為1.8kW風機3臺,2至5層配用風機均為3kW風機3臺,2層還配有回風風機1臺,功率為2.2kW。
      大廈裙樓系統原理圖見圖2。
      大廈有一套BA系統,用于控制空調箱風機的運行停止和空調箱進水閥的開關。采用DDC控制方式,終端采用TREND IQ204控制器,每個終端控制2樓層的空調箱,每層有1路模擬量輸入,4路數字量輸入,3路模擬量輸出。

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    運行狀況
      在正常情況下,主機由人工控制,一般運行二組RHU380AHZ1型機組,全部4組主機進、出水閥門全開,一般不調整。運行狀況為冷媒水出水溫度11-14℃,進水溫度15.5-17℃,溫差一般在3-4℃左右。
      水泵由人工控制,一般運行二臺DFW150-315/4型水泵,進水口壓力一般為738.67kPa-740.73kPa,出水口壓力為806.03-810.77kPa。集水器壓力695.6-697.13kPa,分水器壓力778-780kPa。用超聲波流量計測得冷媒水出水總管流量為616-626m3/h。水泵運行功率為27.59kW和27.73kW。偶爾情況會開3臺水泵,每年開3臺的天數一般小于為7天。
      各樓層空調箱運行由人工通過BA系統控制,運行情況為主機開時,空調箱進水閥門也開,風機工頻運行。各房間盤管進水閥門有房間內的空調開關控制,盤管風機控制有2到3檔,也是有房間內的空調風量控制開關控制。
    節能改造
    水泵節能改造
    根據系統運行狀況,我們將備用的主機進出水閥門關閉,則降低了系統1/3冷媒水需求流量。此外,又由于主機的進出水溫差在3-4℃。因此,通過采用格立特VF10型變頻器對水泵進行溫差控制,降低冷水流量來提高溫差到5℃,這樣既能提高主機效率,又能降低水泵能耗。根據測試,當提高進出水溫差到5℃時,冷水流量可降低20%左右。水泵功率可降低30%-40%。平均節能35%計算,可節能19.36kWh/小時,以每天運行13小時計,節能251.7.7kWh/天。以每年運行3432小時計,則年節能66450.4kWh。電價以平均0.94元/kWh計算,則年節約電費59805.35元/年。
    風機節能改造
    送新風風機
      空調箱送新風風機只作運行和停止控制,運行時為工頻運行,一般風量不作調整。這樣,不管是否需要,風機都是全速運行,能耗較大。通過對主樓2層空調箱風機測試,0.8kW的風機實測電流為2.09A,運行功率約為1.06kW,負載率基本為100%。采用格立特VF10型變頻裝置后,風機根據需求作變速運行。根據風機理論,風機風量與風機功率成立方關系,因而,可以大大節約能源。根據經驗,我們將送新風風機的運行頻率設定在45Hz左右,這樣對樓內人員舒適度沒有什么影響,而風機功率可下降27.1%左右。同時對風機做間歇送風控制,占空比為50%,則又能節能50%左右,總計節能量在60%左右。對0.8kW的風機,節能可達0.583kWh/小時,以每天運行13小時計,節能7.58kWh/天。以每年運行3432小時計,則年每臺節能約為2000.86kWh。節約電費1880.81元/臺。
    送冷風風機
      送冷風風機主要是主樓1樓和裙樓1樓至5樓的空調箱風機。我們對主樓1樓,裙樓1、2、3樓做了風機功率測試。測試情況見表3:

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    節能案例三
    變頻調速技術在空氣壓縮系統中的節能應用
    某化纖有限公司現有英格索蘭空壓機4臺,排氣壓力0.85MPa,其中3臺MM160-8.5,容積流量為26m3/min,壓縮電機額定功率160kW;1臺MM75-8.5,容積流量為12.1m3/min,壓縮電機額定功率75kW。


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    (1)系統狀況
    該公司4臺空壓機大多數時間采用一大一小方式運行,總供氣量為38.1m3/min,其中75kW空壓機設定加卸載壓力為0.66MPa和0.76MPa,160kW空壓機設定加卸載壓力為0.68MPa和0.78MPa。實際工作中75kW 的MM75空壓機約只有60%的加載率,160kW 的MM160空壓機基本一直處于加載狀態。
    經過測試,75kW空壓機卸載時最小輸入功率30kW左右,加載時最高輸入功率85kW,160kW的空壓機一直處于加載狀態,運行比較平穩,輸入功率一直保持為165kW左右。

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    工廠工藝要求空壓機運行壓力不低于0.6MPa,需求量大時兩臺160kW工作。
    2)節能原理 
    該公司的空壓機耗電量占全廠總耗電量16%左右,空壓機系統年總用電量為180萬kWh左右,因此對空壓機系統進行節能改造意義十分重大。
    由于生產工藝所需的壓縮空氣不斷變化和生產安排的調整,導致車間對壓縮空氣的需求量也在不斷變化,為了適應這種變化,空壓機系統一般采用加卸載的方式運行。壓縮空氣的需求量減少使空壓機排氣壓力達到卸載壓力時,空壓機開始卸載??諌簷C卸載時進氣口關閉,電機空轉不產生壓縮空氣,但是其耗電功率基本占到額定功率的30%左右,甚至更多,從而導致空壓機系統在部分負荷時效率較低。
    依據螺桿式空壓機的排氣量和轉速、耗電功率基本上成正比例的關系,通過采用變頻器對系統進行恒壓控制,可根據系統的實際用氣需求調節壓縮機的轉速,使空壓機排氣量和實際需求量達到基本平衡,系統壓力波動控制在較小的范圍內,從而節約了空壓機采用傳統加卸載運行方式時不必要的能耗:降低傳統控制方式中加載時較高壓力導致的高電耗,避免卸載時空壓機電機空轉做無用功。
    3)節能改造
    根據該公司壓縮空氣系統的使用情況,我們配置了格立特VC-K型智能節電裝置,用于空壓機系統的控制。該智能節電裝置自動采集現場儲氣罐的壓力,根據壓縮空氣的實際需求量,按循環啟動的方式閉環控制4臺空壓機的運行,在滿足系統正常安全和穩定運行的前提下,大幅降低系統運行能耗。系統示意圖見圖5。

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    當系統中一臺75kW(產氣量12.1m3/min)空壓機以60%加載率運行,一臺160kW(產氣量26m3/min)空壓機無卸載運行時,系統實際每小時耗能約為236.5kWh,當75kW空壓機改用變頻恒壓運行時,系統每小時耗能為226kWh,每小時節能10.5kWh。 
    按空壓機每年運行8000小時計算,年節能量為8.4萬kWh,每度電按0.8元計算年可節約電費6.72萬元。

    節能案例四
    變頻調速技術在鍋爐風機節能改造中的應用
    工業鍋爐是工業生產中重要的熱能動力設備。工業鍋爐根據采用的燃料不同,通常分為燃煤、燃油和燃氣三種,這三種鍋爐的燃燒過程控制系統基本相同,只是調節燃料量的手段有所不同。傳統的控制方案中,鼓、引風機采用電動機工頻定速、直接驅動的方式運行,風量一般采用風門擋板控制,電機,其弊端是操作復雜、調節不及時,調節精度較差,不能確保鍋爐的最佳運行狀態,浪費能源。
    在工業鍋爐燃燒生產過程如采用變頻器控制電機的轉速,就可改變原有的操作方式,取消擋板調節,操作簡便,也可實現遠程控制,能夠有效地適應鍋爐生產過程,使系統運行穩定,保持風機高效的運轉;電機實現軟啟動,無沖擊電流,設備故障率大大降低,維修費用大為減少。更重要的是大大降低了能耗,提高了效率,并降低了風機的噪音,減少了噪聲對環境的影響。
    某紙業有限公司蒸汽鍋爐的引風機采用液力耦合調速,鼓風機電機為AECK-360kW/10kV,額定電流26.3A;工頻全速運行時,鼓風機的額定流量為:2950 m3/min、額定壓力520 mmH2O;在實際運行中,工作風量是由操作工根據蒸汽溫度,調節擋板,達到調節風量大小的目的。其風門開度通常為68%(風機流量2006 m3/min )~80%(風機流量2360 m3/min ),電機功耗為236.14 kW ~277.06 kW。
    根據上述工況,采用變頻技術對鼓風機系統進行進節能改造,增加了1臺上電科NEMS-HVI型高壓變頻器(10 kV /360kW)及壓力傳感器等,通過變頻器的PID功能,實現溫度的自動調節。改造后,當工作流量為2006 m3/min時,電機功耗為123.5kW,節能率為48%;當工作流為量2360 m3/min,電機功耗為191.4kW,節能率為31%,可見工作流量越低,節能效果越為顯著。該公司的實際工況是,設備在小流量運行的時間較長,該裝置的年平均節能率約42%。裝置總投資約50萬,運行10個月后已經收回投資。

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