高壓變頻器將在風(fēng)機(jī)水泵類的節(jié)能應(yīng)用中起到重要角色
| 1 綜 述 交流變頻調(diào)速技術(shù)近年來一直在研制和發(fā)展，我國目前在各行各業(yè)都可以看到它的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、大功 率元器件的開發(fā)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流變頻器在風(fēng)機(jī)水泵類機(jī)械中得以更廣泛的應(yīng)用，同時(shí)交流 變頻調(diào)速技術(shù)也正朝著大容量，高電壓和高性能的方向發(fā)展。多年來由于種種原因,在我國存在著大量不調(diào)速的機(jī) 械設(shè)備,而這主要集中在風(fēng)機(jī)水泵類，它們消耗和浪費(fèi)了大量的電能。隨著能源消耗、生產(chǎn)成本越來越得到了各級 主管部門和企業(yè)界的重視，高壓、大容量變頻器的開發(fā)和應(yīng)用也越來越得到人們的重視，目前已開始在風(fēng)機(jī)水泵類 的節(jié)能中初現(xiàn)端覓。由于它們的容量大，其節(jié)能效果非常顯著。相信高壓、大容量變頻器將在未來的節(jié)能領(lǐng)域中起 到至關(guān)重要的作用，將是提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會經(jīng)濟(jì)效益主要手段之一。 2 風(fēng)機(jī)節(jié)電原理 風(fēng)機(jī)類機(jī)械設(shè)備主要進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，以調(diào)節(jié)風(fēng)量、閥門的開口度等方法完成工藝流程的要求。利用變頻裝置對風(fēng)機(jī) 進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制屬于減少空氣動(dòng)力節(jié)電方法,是一種較好的節(jié)電方式.它和一般常用的調(diào)節(jié)風(fēng)門控制風(fēng)量方法比較,有 著明顯的節(jié)能效果.通過圖1可說明其節(jié)電原理.圖中曲線 (1)為風(fēng) 機(jī)在恒速下風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性, 曲線(2)為恒 速下功率-風(fēng)量(N-Q)特性, 曲線(3)為管網(wǎng)風(fēng)阻 特性( 風(fēng)門開度全開). 假設(shè)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)工作在A點(diǎn)效率最高，輸出 風(fēng)量Q1為100%, 此時(shí)軸功率N1與Q1和H1的乘積面積AH1OQ1成正比。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，當(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2(例 如50%風(fēng)量)時(shí)。如采用調(diào)節(jié)風(fēng)門方法相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到曲線(4)，系統(tǒng)由原來的工況點(diǎn)A變 到新的工況點(diǎn)B運(yùn)行，圖中看出，風(fēng)壓反而增加，軸功率與面積BH2OQ2成正比，減少不多。若采用變頻調(diào)速控制方 式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，從圖1可見，在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降 低，功率N3隨著顯著減少，節(jié)省的功率損耗與面積BH2H3C成正比，節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。 由流體力學(xué)知道，風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率N與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因 此當(dāng)風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)其功率降低很多。譬如風(fēng)量下降到80%，轉(zhuǎn)速也下降到80%時(shí)，則軸功率N將下降到 額定功率的51%。當(dāng)然轉(zhuǎn)速的下降也會引起效率的降低及附加控制裝置的效率影響等，即使這樣，這個(gè)節(jié)電效果也 是相當(dāng)可觀的。 3 供水系統(tǒng)的節(jié)能分析 在供水系統(tǒng)中,通常是以流量為控制對象的。常見的控制方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法，采用變頻調(diào)速的供水系 統(tǒng)屬于轉(zhuǎn)速控制法。對于節(jié)能效果的分析，常常是對這兩種方法進(jìn)行比較的結(jié)果。 1) 閥門控制法:即通過關(guān)小和開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速則保持不變(通常為額定轉(zhuǎn)速)。閥門控制法的實(shí) 質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量。因此，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。設(shè)用 戶所需流量為60%QN，當(dāng)通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€(3)，而揚(yáng)程特性則為曲線(1)，故供水系 統(tǒng)的工作點(diǎn)移至E點(diǎn)，如圖2所示。這時(shí):流量減小為QE;揚(yáng)程增加為HE;由供水輸出功率PG與流量Q和揚(yáng)程HT的乘積成 正比的關(guān)系， 即:PG=kP·HT·Q(kW); 其中:kP是比例常數(shù)。 可知供水功率PE與面積ODEJ成正比的。 2) 轉(zhuǎn)速控制法:即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變(通常為******開度)。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì) 是通過改變水的勢能來改變流量的。所以，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性也隨之改變，而管阻特性則不變。仍以 用戶所需流量等于60%QN為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使QE=0.6時(shí)，揚(yáng)程特性為曲線(4)，管阻特性則仍為曲線(2)，故工 作點(diǎn)移至C點(diǎn)。因?yàn)镃點(diǎn)是在管阻特性曲線 (2)上，流量減小為QE;揚(yáng)程減小為HC;供水功率PC與面積ODCk成正比。 3) 兩種方法的比較:比較這兩種調(diào)節(jié)流量的方法，可以看出:在所需流量相同，且QX<100%QN的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí) 的揚(yáng)程比閥門控制時(shí)小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差 便是轉(zhuǎn)速控 制方式節(jié)約的供水功率，它與面積kCEJ(圖2中的陰影部分)成正比。這就是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的基本 原理。 4 高壓變頻裝置應(yīng)用在風(fēng)機(jī)水泵類將更能取得實(shí)際節(jié)能效果 目前在冶金行業(yè)采用了大量轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)，而轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)是一個(gè)非常好的節(jié)能對象。根據(jù)煉鋼工藝要求，它正常 運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間與低速時(shí)間段基本各占50%，即:若我們對煉鋼工藝熟悉的話，轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)僅在轉(zhuǎn)爐出鋼水 階段要求快速高速運(yùn)行，即吸附走煉鋼車間中的粉塵煙霧;而在轉(zhuǎn)爐冶煉階段，由于煉鋼車間中的煙霧非常小，轉(zhuǎn) 爐除塵風(fēng)機(jī)基本運(yùn)行在非常低的轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，甚至可以處于停車狀態(tài)中。對于此類風(fēng)機(jī)，從風(fēng)壓-風(fēng)量特性、功率- 風(fēng)量特性和管網(wǎng)風(fēng)阻特性 分析上都認(rèn)為應(yīng)采用調(diào)速方案。例如一臺20噸轉(zhuǎn)爐，其除塵風(fēng)機(jī)的電機(jī)容量為440kW，一 年轉(zhuǎn)爐的冶煉時(shí)間按250天計(jì)算(除去轉(zhuǎn)爐的中、小修的時(shí)間)，每一度電我們?nèi)?.6(元)/kWh。則一年可節(jié)電和獲得 的經(jīng)濟(jì)效益為(在這里我們忽略了機(jī)械設(shè)備的損失): 250×24×50%×440=1,320,000kWh 1,320,000kWh×0.6(元)/kWh=792,000 (元) 從這個(gè)數(shù)字可以感到它的節(jié)能效果是如何的可觀。這里的例子是一座在當(dāng)今煉鋼廠比較小的煉鋼轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐越大， 則除塵風(fēng)機(jī)的電機(jī)就越大，其節(jié)能效果就越加顯著。而目前轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)的調(diào)速普遍采用的方案為液力耦合器技 術(shù)，也有采用電機(jī)變級調(diào)速方案的，其效率應(yīng)該說都非常差，且日常維護(hù)量非常大。究其沒有采用變頻器方案的主 要原因是: 1) 現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)的電機(jī)容量和電壓等級都大和高，我們知道現(xiàn)煉鋼廠普遍采用的轉(zhuǎn)爐一般在20-30噸容量以 上，而配置的電機(jī)一般也在440kW以上，且電機(jī)的電壓等級大多為6kV 。這對變頻器提出了較高的要求。 2) 在近年研制、開發(fā)和制造的高壓變頻器中(下轉(zhuǎn)50頁)還基本應(yīng)用在幾兆瓦數(shù)量級上，而對于幾百kW容量的高壓 變頻器的技術(shù)方案尚不盡合理且價(jià)格比也尚不易接受。 隨著當(dāng)今大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路技術(shù)、現(xiàn)代拓?fù)浼夹g(shù)、多電平的大容量高電壓變頻裝置已經(jīng) 在工業(yè)系統(tǒng)中得以應(yīng)用。目前就我們所知，國際上幾個(gè)著名的電氣公司廠家如:SIEMENS、ALSTOM、ABB和GE- TOSHIBA等都相繼開發(fā)出了2.4kV、3.3kV、4.2kV和 6.6kV的高 電壓型的變頻器，他們所采用的大功率元器件以及 高壓變頻器的結(jié)構(gòu)也不盡相同。如: SIEMENS、 ALSTOM更傾向于使用GTO和IGBT的大功率器件，而ABB和GE-TOSHIBA 則更傾向于 使用GTO和IGCT。在主回路的結(jié)構(gòu)上ALSTOM采用四電平的結(jié)構(gòu);而其他幾家則為三電平的主電路結(jié)構(gòu)。 對于控制回路系統(tǒng)則基本類同，都采用全數(shù)字化的工業(yè)控制器、PWM的調(diào)制技術(shù)。目前國內(nèi)的研究單位也正在積極 的進(jìn)行組織開發(fā)。這種新技術(shù)和新裝備的到來勢必掀起一節(jié)能化應(yīng)用的新局面。用它取代原有的風(fēng)機(jī)水泵類傳統(tǒng)機(jī) 械的調(diào)節(jié)風(fēng)門和閥門的方案,使之獲得更多和明顯的效益。我們承認(rèn)若選用變頻器的調(diào)速方案的話，一次性投資較 高。但從節(jié)能效果上、較短的回收期、日常維護(hù)量和經(jīng)濟(jì)效益等多方面指標(biāo)上來進(jìn)行綜合評價(jià)。我們選擇變頻調(diào)速 方案，可以很好地滿足工藝的動(dòng)態(tài)和精態(tài)要求，節(jié)能效果顯著，系統(tǒng)運(yùn)行更加合理和可靠，大大減少整套設(shè)備的維 護(hù)量，從而可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化控制。 5 結(jié)論 隨著改革、開放和我們當(dāng)今的市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)我國在去年也加入了WTO。高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)是傳動(dòng)領(lǐng) 域的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，用它來改造我國傳統(tǒng)的工業(yè)，提高節(jié)能技術(shù)的水平和規(guī)模。節(jié)約能源將可以獲得非常好的經(jīng)濟(jì) 效益和社會效益。從上舉的實(shí)際例子，我們可以感覺到節(jié)能的潛力。 |
