变频技术在煤化工装置中的节能应用研究

王 珺 祁立宾 曹 辉 卓 状 马 帅

（航天长征化学工程股份有限公司电控室，北京 101111）

0 引言

在煤化工装置生产过程中，风机、泵类负载是生产装置的主要耗电设备，其电耗占全厂总电耗的75%～80%。同时，煤化工装置由于受煤种、下游装置处理量、实际生产方案变化以及市场运营等因素影响，常常处于负荷变化或低负荷运行状态，而在设计选型过程中考虑到煤种、扩能改造等因素，会留有一定的余量，使许多风机、泵类负荷波动范围和扬程过剩较大，造成能源浪费。

工艺管道中的调节阀，是通过改变管道通径的截面积，即改变管路特性，来控制管道中流体的流量；而用变频器驱动电动机带风机、泵，当机械的转速改变时，可改变流体流量的大小。两者的作用一样，只是控制流体流量的方式不同而已，因此在风机和泵类负载的流量控制场合，变频器是可以代替调节阀的[1]。

本文根据实际项目的运行数据研究了风机、泵类负载的能源浪费情况，将原有流量调节的控制方式改为变频调速控制，并给出了变频调节技术在煤化工项目中的应用方案；同时，通过分析得出变频调速控制节能效果明显，具有良好的经济效益。

1 变频调节理论分析

这里以离心泵为例，讨论流量控制中存在的问题。流量的调节一般采用两种办法：一种是节流调节，另一种是变速调节。离心泵及管路的特性曲线如图1所示。

图1中，n（H-Q）为离心泵特性曲线，R为管路特性曲线。当流量达到最大值Q0时，泵以全速n0运行，出口阀门全开，泵的特性曲线n0和管路特性曲线R0交于工况点A，泵出口压力为HA。在需求流量由Q0减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，泵的能耗不同[2]。

图1 离心泵和管路的特性曲线

（1）节流调节。泵的转速保持不变，关小泵出口阀门，此时管路特性曲线由R0变为R2，工况点由A点上滑到B点，扬程从HA上升到HB，所消耗的功率正比于Q1BHBO面积（设为S1）。

（2）变速调节。改变泵的转速，阀门开度保持不变。此时泵的特性曲线由n0变为n2，工况点由A点下滑到C点，扬程从HA下降到HC，所消耗的功率正比于Q1CHCO面积（设为S2）。

显而易见，在同样的流量Q1下，HB＞HC，S1＞S2，说明变速调节比节流调节更节省能耗[3]。

2 调节阀控制下电机输出功率分析

为了掌握流量调节系统的运行状态，将风机/泵的出口流量、调节阀开度、调节阀前后压力值以及电机运行电流4个参数作为数据采集的对象。图2是某煤化工装置中风机A的相关数据，图3是某煤化工装置中水泵B的相关数据。

图2中绿色线SP对应的是流量目标值，黄色线OP是电动风门的开度，红色线表示的是实际的风量。由于在控制系统中未做电流的趋势，通过手动观察，风机A当前的电流值为67 A。

图2 风机A远程数据采集

图3中红色线OP对应的是调节阀的开度，粉色线PV对应的是流量值。由于在控制系统中未做电流的趋势，通过手动观察，水泵B当前的电流值为156 A。

图3 水泵B现场数据采集

通过现场数据可以得出，风机A的额定功率为1 400 kW，设计流量为141 696 Nm3/h，其入口的实际风量在10 000 Nm3/h左右，调节阀的开度在65%左右，根据工作电流可知，电动机实际功率为988 kW。水泵B的额定功率为185 kW，额定流量为300 m3/h，扬程为140 m，根据工作电流可知，电动机实际功率为92.4 kW。可以看出，当风机、泵类负载的实际工作流量小于其额定流量时，电机的实际输出功率小于额定功率。

3 变频调速控制下电机输出功率分析

当风机、水泵出口压力高于需要值时，若采用调节阀门（节流阀门、风门）的方法调节流量，则调节阀门上的电能损耗为：

式中：ΔN为调节阀门上的电能损耗（kW）；Q为流量（m3/s）；ΔH为富余扬程，即调节阀门上的压降（Pa）；η为风机、水泵效率；ηd为电动机效率；ηt为传动装置效率。

由于风机、水泵类负载属于平方转矩负载，即转矩M与转速n的平方成正比，即M∝n2；而电动机轴的输出功率P∝Mn∝n3，所以电动机的输出功率与转速的三次方成正比[4]。

下面针对前述某项目的风机A和水泵B进行节能分析，由于变频运行时的数据尚未采集，仅对其进行理论分析。

对于风机A，如果采用变频控制的方案，根据流量与转速的关系，需要电机运行在频率为35 Hz的状态下，此时消耗的功率为额定功率的34.3%，约为480.2 kW，是实际值的48.6%。

对于水泵B，如果采用变频控制的方案，需要水泵运行在频率为25 Hz的状态下，此时消耗的功率为额定功率的12.5%，约为22.5 kW，是实际值的24.4%。

由此可见，采用变频调速控制方案可以显著降低风机、泵类负荷的能耗。

4 变频器应用方案

图4和图5分别是高压变频器控制方案的一次主回路图和二次原理图。一次主回路包含高压断路器QF、高压隔离开关QS1～3、高压变频器、输入移相变压器等。高压断路器QF设置在高压开关柜中，高压隔离开关QS1～3、高压变频器、输入移相变压器设置在高压变频器成套柜中，其中高压变频器成套柜需设置在单独的房间内。

图4 高压变频器一次主回路图

图5 高压变频器二次原理图

图6和图7分别是低压变频器控制方案的一次主回路图和二次原理图。一次主回路包含低压断路器、低压变频器、输出电抗器、冷却风扇主回路等。

图7 低压变频器二次原理图

5 变频器选型要求

对于低压变频器：

（1）其控制方式有U/f控制和无传感器矢量控制；

（2）变频器输出频率范围为0.5～200 Hz；

（3）变频器瞬时过转矩能力不低于额定转矩的120%，持续时间不低于60 s；

（4）变频器必须采用必要的谐波抑制方案，将其输入侧产生的谐波电流总畸变率（THDI）减小至小于35%，优于IEC标准THDI≤48%的要求；

（5）为减小变频器运行中产生的辐射与传导干扰，满足EMC抗干扰性，变频器必须集成A类EMC滤波器；

（6）具有输入过压、直流母线过压、输入欠压、输入缺相、过载、欠载、电流限幅、输出缺相保护；

（7）变频器集成Modbus通信功能[5]。

对于10 kV中压变频器：

（1）通常选用电压型变频器，即内部储能元件为电容；

（2）通常选用10 kV输入、10 kV输出，不选用输入采用降压变压器降压、输出采用升压变压器升压的方案；

（3）通常选用变频器成套柜，包含输入移相变压器、变频器整流单元、变频器逆变单元以及图形显示终端，变频器柜的防护等级不低于IP31，变频器功率单元冷却方式为强制风冷，并具有冷却风机停机保护；

（4）变频器能提供U/f控制和无传感器矢量控制；

（5）具有电动机过载、过流、输入过压、输入欠压、CPU故障等保护；

（6）为有效减小变频器运行产生的谐波电流，变频器输入必须采用36脉冲整流，使得谐波电流总畸变率THDI不大于2%，以将谐波电流中对中压电网的污染降到最低；

（7）为保证变频器输出电压为高度正弦波，从而消除du/dt产生的过电压对电动机绝缘的损害，要求变频器输出半波电压必须为21电平，每个逆变单元必须能输出3电平；

（8）变频器输出频率为0.5～100 Hz；

（9）变频器功率因数大于0.96；

（10）额定功率下，要求变频器的整机效率（包含输入移相变压器在内）大于96%；

（11）变频器集成Modbus通信功能[5]。

6 结语

本文通过对目前煤化工装置中流量调节系统的调研，论证了变频调速控制应用于风机、泵类负载流量调节的可行性，并进行了节能分析，同时给出了不同电压等级（10 kV、380 V）下变频控制系统的一、二次回路方案以及变频器选型的相关要求。