变频器在深冷站的应用分析

李玮 （大庆油田有限责任公司天然气分公司）

变频器在深冷站的应用分析

李玮 （大庆油田有限责任公司天然气分公司）

在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛，其电能消耗及维护、维修费用占生产成本的7%～25%。文中简述了变频器的工作原理及优点，并根据萨南深冷站空冷器的实际情况，对本站空冷器变频器改造进行了运行状况分析以及投产效益计算，通过分析可以看出变频器改造确实是促进节能降耗的重要手段。

变频器 节能 效益 改造

在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛；其电能消耗和阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%～25%，是一笔不小的生产费用开支，节能降耗业已成为降低生产成本的重要手段之一。

80年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电动机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电动机功耗，达到系统高效运行的目的[1]。

1 变频器理论及其在深冷站运行效益分析

1.1 变频器的原理及优点

根据机电设备配合设计原则，电动机的最大功率必须满足负载下的机械功率和转矩，对于不同的负载，最大值并非时时刻刻都发生，负载的变化是非线性的，而电动机的输出功率却是恒定的，这就意味着在非最大负载时电动机输出了相当一部分多余功率，电能也就白白浪费掉了。

由电动机转速的数学公式我们知道，电动机的实际转速，主要取决于电动机定子的旋转磁场。公式为：

式中 n、t、s、f、p分别代表转速、时间常数、电动机转速差、输入频率、电动机磁极对数。

从公式（1）可以看出，在其他参数不改变的情况下，降低电源的输入频率，会使电动机的转速变小，负载降低，实现节能的目的。

我们日常生产和生活所使用的电源，是固定频率（50 Hz）的交流电。变频技术，就是通过技术手段来改变用电设备的供电频率，进而达到控制设备输出功率的目的。变频技术随着微电子学、电力电子、计算机和自动控制理论等的发展，已经进入了一个崭新的时代，完全成熟的技术，也使其应用进入了一个新的高潮。它是通过变频调速改变轴输出功率，达到减少输入功率节省电能的目的[1]。

具体到风机及离心泵等设备，它们均为平方转矩负载，根据流体力学：Q∝n，H∝n2，P∝n3，即流量与转速成正比，压力与转速二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。

以上分析可以看出，变频器的优点主要有以下几点：

1）改善了启动性能。由于电动机的轴功率与转速的三次方成正比，采用变频器启动时频率低，转速也低，启动电流就小，避免工频启动时形成的大电流对电动机、电缆、开关等设备的冲击，因此启动性能得到改善。

2）提高了功率因数。由于变频器内的滤波电容作用，使其具有功率因数补偿功能，从而减少了无功功率损耗，减小了电流，也减少了线损和设备的发热，提高了设备的有功功率。

3）提高了控制精度。变频器调整的最小幅度为Δf＝±1.5 Hz。使用变频技术后，变频器可以直接通过改变频率控制风机转速来控制风量，调整方便。

4）延长了设备使用寿命。由于使用变频器，风机、电动机的运行频率为20～47 Hz，转速低，转矩小，这样等于提高了运行设备的安全系数，有利于机组的长期安全运行，也延长了风机、电动机等设备的使用寿命。

1.2 变频器在深冷站投用分析及效益计算

根据变频器原理公式以及流体力学公式可以推导出变频节电公式：

式中：

W——节电量，kWh；

P——额定功率，kW；

t——运转时间，h；

f1、f2——分别为变频频率和工频频率；

d——运行天数。

萨南深冷站共有空冷器5台，对应配套电动机10台，在2009—2010年检修改造中，对这10台电动机进行了更换，并匹配变频器6台，我们可以通过计算效益来验证变频器投产的必要性。

按照设计，E0101-E0104每台空冷器的2台配套电动机配备1台变频器，E0202空冷器2台电动机各配备1台变频器，则共需配备6台变频器。在夜间温度较低时段，不需要所有空冷器电动机满负荷运行，假设每天变频器变频至35 Hz方式运转10 h，每日具体节电情况见表1。

表1 投用变频器节电情况统计

空冷器变频器改造效益可分为显性效益和隐性效益，显性效益就是指节电效益。由表1可看出，6台变频器正常投用的情况下，每天可节电617.58 kWh，按照0.80元/kWh的价格计算，每天可节约电费494元，每年可节约18×104余元。按照每台变频器3×104元计算，投资回报期仅为1年。

而空冷器变频器改造还有较大的隐性效益，主要体现在：

1）实现了电动机的软启软停，消除了电动机启动电流对电网的冲击，减少了启动电流的线路损耗。

2）消除了电动机因启停所产生的惯动量对设备的机械冲击，大大降低了机械磨损，减少设备的维修，延长了设备的使用寿命。

2000年之前我国变频器使用率不足10%，到2009年上半年增加量超过35%，很多生产商生产的风机、水泵类的电动机控制系统都配装了变频启动系统，说明这项节能技术越来越被人们所认识。随着市场占有率的不断提高，成本价格较前些年大幅下降。从使用情况看，只要不超负荷运行，很少发生故障。

2 结论

通过分析我们可以看出，深冷站的空冷器电动机变频改造无论从节能、经济效益上或是对电动机、线路的保护上都有显著的优势。在油田生产中，能效比不高，陈、旧、老设备仍占较大的比重。节能改造潜力巨大，相信通过变频器节能项目的改造，节能降耗工作必将迈上更高的台阶。

[1]刘东旗.变频器发展趋势研讨分析[J].电工技术,2008（7）：34.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.01.013

李玮，2007年7月毕业于大庆石油学院计算机科学与技术专业，助理工程师，目前任油气加工二大队深冷站电气技术员，E-mail：liwei8410@163.com，地址：黑龙江省大庆油田有限责任公司天然气分公司油气加工二大队。

2011-11-28)