变频技术应用

1引言

我电厂的综合泵房共有9台水泵,其中有3台工业水泵,2台消防稳压泵,2台消防泵,2台生活水泵。而工业水泵承担着我公司两台5万KW汽机,两台额定蒸发量220T/H锅炉生产用水的供水任务,工业水泵的型号:250SSK468/54,流量:468m3/h,扬程54米,转速1470r/min,配用功率110KW;配用电机型号Y315S-4B3,电压380V,电流201A,转速1480r/min.建厂初期由于设计问题,全部采用工频运行。为了保证生产的可靠性,各种水泵在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费,

2007年由于燃煤机组发电成本越涨越高,为了节能增效,公司采购了2台西门子MICROMASTER430系列MM400变频器,对供水量最大的工业水泵进行节能改造。控制方式为1#工业水泵使用一台变频器,2#和3#共用一台变频器控制。一台变频器设一台压力变送器,压力变送器把工业水泵出口母管压力信号转换成4—0mA电流信号送到变频器。变频器根据变送器提供的电流信号自动调节水泵转速,从而维持生产需要的供水压力,形成一个闭环调速控制系统。改造完成后,工业水泵的控制系统不仅很好的完成了公司生产用水的任务,而且给公司节约了大量的能源。

2采用变频技术前后工业水泵的流量特性

水泵电机工频运行如图1所示,当水泵工作在曲线②的A点时,其流量与压力分别为Q1、P2,此时水泵所需的功率正比于P2与Q1的乘积。由于工艺要求需减小水量到Q2,通过增加管网管阻,使水泵的工作点移到曲线③上的B点,水压增大到P1,这时水泵所需的功率正比于P1与Q2的乘积,由图可见这种调节方式控制虽然简单,但功率消耗并无减少。

若水泵电机采用变频调速,水泵转速由n1下降到n2,这时工作点由A点移到C点,流量仍是Q2,压力由p2降到p3,这时变频调速后水泵所需的功率正比于p3与Q2的乘积,由图可见功率的减少是明显的。

3改造设计

3.1调速控制系统设计

根据终端用户生产工艺供水要求,考虑若干方面的因素,采用闭环调速控制(图2)。系统主要由两部分组成。

(1)控制对象。工业水泵电机功率110kW,额定电流201A;水泵配用功率l10kW,流量468m3/h,扬程54m。

(2)变频调速设备。变频器选用西门子MICROMASTER430系列MM400变频器,适配电动机功率150kW;PLC选用S7-200CPU226;扩展模块EM235;操作面板选用PSW1711-CTN。

(3)压力测量变送器(PT)。选用EJA430A-630SE/S1-2Mpa。用于控制水管出口压力并将压力信号变换为4mA-20mA的标准电信号,再输入调节器。

3.2鼠笼型电动机变频改造设计

(1)变频器选型。

电机用变频器运转同采用工频电源运转相比,电机的效率、功率因数将降低,电流增加,对同一负载而言约增加10%,400V电压等级频率为50Hz和60Hz时有如下电流关系:I400/50>I400/60。电机变频运转在50Hz时温升裕量小,要降低负载转矩使用;当电机极数>4极时(如8极、10极等),选择变频器容量要用电流来校核,即电动机脉动电流应不超过变频器的过电流耐量,1脉动<1.51;Ie电机负载很轻时,即使电机的电流在变频器额定以内,亦不能使用比电动机容量小很多的变频器。

低速时,电机的铜耗大体与额定时相同,但由于转速越低,电机冷却效果越差,定子的温升会发生变化。因此,选择变频器时,要考虑在低速下使用电机的温升,相应减小运转转矩(电流),降低铜耗。

电机运转在低频区时,转矩特性会大幅度降低。对于负载变动大或启动转矩大的情况,可选用上一级电动机与变频器。要考虑电机允许最高频率的范围。

(2)容量的选择。

连续运转设备所需的变频器容量的计算,要考虑变频器传给电动机是脉动电流,其脉动值比工频供电时电流要大,因此变频器的容量须留有适当的量。考虑到离心泵负载的具体情况,并参照厂家提供的产品选择样本确定变频器的容量为150kVA。

4节能效果计算

节能效果可按GB12497《三相异步电机经济运行管理》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式计算:采用阀门调节流量对应电动机输入功率P1V与流量口的关系为:

P1V=[0.45+0.55(Q/QN)2]P1e;

式中P1e——额定流量时电动机输入功率,KW;

QN——额定流量,m3/h;

工业水泵采用变频调速后节电率Ki为:

Ki=1-(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]。

低压配电系统运行电压380V,电机实际运行电流201A,水泵电机功率l10kW、极数4极、实际出力为55%～83%,取Q/QN=0.69得:

Ki=1-(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]=1-0.693/(0.45+0.55×0.692)=0.5385;

P1e=1.732×380×201=132KW;

P1V=(0.45+0.55×0.692)×P1e=0.7119×132=94kW。

变频器调速调节水量时相对阀门调节水量的节电率为0.5385。设备运行每年按300天计算。年节电量超过27万kW/h。按电价0.55元/kW/h计算,年节约电费超过14.8万元,技术经济效益可观。

5我公司变频器其它方面的应用

工业水泵变频节能改造成功之后,公司又对两台消防稳压泵和两台除盐水泵进行了改造。两台消防稳压泵自动切换使用一台西门子MICROMASTER430系列MM400变频器;两台除盐水泵自动切换使用一台西门子MICROMASTER430系列MM400变频器。也都获得了很好的节能效果。

然而,在电厂厂用电中耗电最多的四大辅机:给水泵(3台),引风机(4台),一次风机(2台),二次风机(2台),却仍然没有采用变频或是液力耦合等节能技术。电机全部工频运行,只是用调节其出口阀门开度来调节介质流量,系统瘪压情况较严重,压力不稳定。设备振动厉害,给生产带来很多不稳定的因素,同时浪费了大量电能。

公司管理层现已经越来越意识到节能的重要性,也正在进行有计划的改造工作。希望不久的将来能给公司带来更加可观的经济效益。