變頻器在無(wú)塔供水改造設備中的節能應用案例

 

一. 概述

      在我國的制糖行業(yè)中，很多重要的生產(chǎn)設備均為高能耗設備，設備的電力拖動(dòng)離不開(kāi)調速，受設計時(shí)的技術(shù)條件的限制，很多設備的拖動(dòng)調速在設計時(shí)大都采用能耗調節，交流電動(dòng)機變頻調速是在現代微電子技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它不但比傳統的直流電機調速優(yōu)越，而且也比調壓調速、變極調速、串級調速等調速方式優(yōu)越。它的特點(diǎn)是調速平滑、調速范圍寬、效率高特性好、結構簡(jiǎn)單、機械特性硬、保護功能齊全，運行平穩安全可靠，在生產(chǎn)過(guò)程中能獲得最佳速度參數，是理想的調速方式。

 

      應用實(shí)踐證明，交流電機變頻調速一般能節電 30%左右，目前工業(yè)發(fā)達國家已廣泛采用變頻調速技術(shù)，在我國也是國家重點(diǎn)推廣的節電新技術(shù)。變頻器應用在制糖工業(yè)的風(fēng)機、水泵、壓榨機、離心機等負載，能取得了顯著(zhù)的節能效果。

 

二．無(wú)塔供水改造設備工作原理 

1 原供水系統工況

      原供水系統由二路管網(wǎng)系統組成，第一路管網(wǎng)供水水泵六臺，水泵電機分別為：110KW五臺、75KW一臺；第二路管網(wǎng)水泵六臺，水泵電機分別為：155KW五臺、220KW一臺。水泵投切依靠值班人員根據壓力進(jìn)行投切，水壓隨用生產(chǎn)用水量的變化及泵組的投切變化較大，泵組投切對電網(wǎng)的沖擊影響很大，根據生產(chǎn)工藝對水壓及流量的要求，需要開(kāi)回流閥進(jìn)行調節。

 

2 無(wú)塔供水改造設備變頻節能改造方案

由以上系統工況可知，該系統適于作變頻節能改造，改造方案如下：

      無(wú)塔供水改造設備系統部分采用變頻控制，在每一管網(wǎng)上按裝壓力傳感器，即時(shí)檢測管網(wǎng)水壓，根據生產(chǎn)用水量的變化變頻控制系統自動(dòng)調節水泵電機的轉速從而控制系統供水量，保證管網(wǎng)水壓的恒定。第一路管網(wǎng)由110KW變頻節能系統控制兩臺水泵電機，一用一備，其余四臺工頻控制；第二路管網(wǎng)由220KW節能變頻系統控制一臺220KW水泵電機及一臺155KW水泵電機，一用一備，其余四臺工頻控制。改造后節電效果顯劇，恒壓供水，極大地改善了生產(chǎn)工藝。改造系統控制圖如下：

 

3 無(wú)塔供水改造設備變頻改造節能原理

a 泵類(lèi)的特性和參數:

純粹用于抽水的功率叫有效功率

有效功率=(1000QH)/(75×60/0.736)=QH/6.11(kW)

式中，Q為流量(m3/min);H為總揚程(m)。

 

設在揚程內1m3的水的重量為1000kg，因此:

泵的軸功率=(有效功率)/ 泵的效率(kW)

電動(dòng)機輸出功率=(1.05～1.2)×軸功率(kW)

因泵的揚程大小、泵的型號不同，泵的效率不能一概而定，一般標準泵的大致效率曲線(xiàn)如圖2所示。

 

      鑒于泵的設計與制造方面會(huì )有誤差，故電機的輸出功率應較軸功率計算值有5～20%的裕量，而后根據流量和揚程求出電動(dòng)機的功率，圖3為流量和揚程特性曲線(xiàn)。

 

圖2 一般標準泵的效率 圖3 流量和揚程特性曲線(xiàn)

 

b 管網(wǎng)的水阻特性

當管網(wǎng)的水阻R保持不變時(shí)，水量與過(guò)水阻力之間的關(guān)系是不確定的， 

 

即水量Q與過(guò)水阻力h按阻力定律變化，其表達式為:

 

式中，H—過(guò)水阻力 R—水阻系數。 

 

H=f(Q)關(guān)系曲線(xiàn)為水阻特性曲線(xiàn)，呈拋物線(xiàn)形狀，如圖4所示。由圖4可知，水阻系數R越大，曲線(xiàn)越陡，即過(guò)水阻力越大。

c 泵類(lèi)調速控制節能原理

由流體力學(xué)可知，水量Q與轉速的一次方成正比，壓力H與轉速的平方 

 

成正比，功率P與轉速的立方成正比。

式中: Qe—風(fēng)機、泵類(lèi)的額定風(fēng)(流)量;

He—風(fēng)機、泵類(lèi)的額定壓力;

Pe—風(fēng)機、泵類(lèi)的額定功率;

ne—風(fēng)機、泵類(lèi)的額定轉速。

 

      由上面的公式可知，如果泵類(lèi)的效率一定，當要求調節水量下降時(shí)，轉速可成比例下降，此時(shí)水泵的軸功率是成立方關(guān)系下降。

另根據水泵類(lèi)的特性曲線(xiàn)與水阻特性的關(guān)系曲線(xiàn)也可明顯的看出風(fēng)機、水泵的節能效果。圖5為風(fēng)機、水泵調速節能原理示意圖，圖中曲線(xiàn)H為恒速下的H-f(Q)曲線(xiàn)，其水阻、風(fēng)阻特性曲線(xiàn)R1相交與A點(diǎn)。對應的風(fēng)量為Q1。

 

      此時(shí)風(fēng)機、水泵的軸功率Q1AH1Q圍成的矩形面積成正比。當欲使風(fēng)量由Q1減少到Q2使用擋板或閥門(mén)時(shí)，則新的風(fēng)阻、水阻特性曲線(xiàn)H相交于B點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)機軸功率與Q2BH2Q圍成的矩形面積成正比。如果采用調速方法將風(fēng)機、水泵的轉速降到n2使對應的風(fēng)機特性曲線(xiàn)H與風(fēng)阻特性曲線(xiàn)R2相交于C點(diǎn)。此時(shí)與風(fēng)機軸功率成正比的Q2CH3Q圍成的矩形面積顯著(zhù)減少，說(shuō)明軸功率下降很多，節能效果明顯。

 

三、無(wú)塔供水改造設備系統配置

1恒壓供水功能

      ALPHA6000變頻系統內置PID 調節器，管網(wǎng)遠程壓力表即時(shí)檢測管網(wǎng)壓力并轉化為0~10V電壓信號，直接送入變頻器模擬電壓輸入口，設定給定壓力值，PID參數值，變頻器內置PID運算后控制輸出頻率。系統參數可在實(shí)際運行中調整，使系統控制響應快速。管網(wǎng)壓力可根據生產(chǎn)工藝任意給定，變頻系統自動(dòng)跟隨控制，保持管網(wǎng)設定的壓力恒定，既節能足制糖生產(chǎn)對水壓的要求。接線(xiàn)圖如下：

 

2 泵組投切指示

      系統能即時(shí)檢測供水管網(wǎng)水壓，當現有泵組不能滿(mǎn)足生產(chǎn)用水需要或超過(guò)生產(chǎn)用水需要時(shí)，系統能自動(dòng)發(fā)出投入或切除泵組指示，給出聲光投切泵組報警，指示值班人員投切泵組，從而保證生產(chǎn)用水的需要。

 

3 工變頻切換功能

      制糖工業(yè)供水系統可靠性要求高，一旦故障會(huì )影響對整個(gè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴重的影響，因此該系統設置了工變頻切換功能。系統在一般情況下運行在變頻恒壓供水狀態(tài)，當變頻器萬(wàn)一出現故障或例行檢修時(shí)，可立即切換到工頻運行，用原有備用自耦降壓?jiǎn)?dòng)系統啟動(dòng)水泵，從而保證供水的連續性，整個(gè)系統的可靠性能很好地滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求。兩套啟動(dòng)系統電氣聯(lián)鎖，可防止誤操作，確保系統的安全運行。

 

四、參數調試

頻率設定1 

P0.01 

9(PID) 

運行命令控制方式 

P0.04 

1（端子控制1） 

下限頻率設定 

P0.09 

20HZ 

停機方式

P1.08 

1(自由停機) 

X1端子功能 

P3.01 

1(FWD正向運行) 

X3端子功能 

P3.03 

6(RST復位) 

給定量選擇 

P7.00 

0（PID數字給定） 

反饋量選擇 

P7.01 

模擬PID數字給定 

P7.02 

40(壓力量程的百分比) 

 

四、無(wú)塔供水改造后收益

1 延長(cháng)設備及管網(wǎng)使用壽命，減少系統維修工作量。

      由于采用變頻恒壓控制，水泵的啟動(dòng)為軟啟動(dòng)，消除了大電機啟動(dòng)時(shí)沖擊力矩對電機的影響，水泵在啟動(dòng)時(shí)的沖擊大為減少，同時(shí)由于軟啟動(dòng)且水壓為恒壓控制，消除了啟動(dòng)時(shí)對管網(wǎng)的水錘效應，爆管現象不再發(fā)生。因此延長(cháng)了原有設備的使用壽命，故障率大為降低，減少系統維修的工作量。

 

2 改善供水質(zhì)量，提高了整個(gè)系統的可靠性。

      采用變頻恒壓控制系統后，可以非常平滑地調節供水壓力，值班人員對系統的調整控制更加穩定自如。隨著(zhù)生產(chǎn)工藝的變化，可以很方便地調節系統的供水壓力。由于采用新系統后，故障率大為降低，且兩套啟動(dòng)系統可以互為備用，保證了系統供水的連續性，為系統經(jīng)濟優(yōu)化運行提供了可靠保證。

 

3 改善工廠(chǎng)的用電狀況。

      采用變頻軟啟動(dòng)后，消除了原啟動(dòng)系統啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，新系統的功率因數可達0.95，效率可達0.98，系統工作電流大為減小，線(xiàn)路損耗也大為減少，改善了工廠(chǎng)用電的狀況。

 

4 節能效果顯著(zhù)，經(jīng)濟效益可觀(guān)。

      原系統運行時(shí)為維持水壓的基本恒定，除需要不斷反復投切泵組外，還需利用回流閥進(jìn)行小范圍調節，水泵的投切除對電網(wǎng)有沖擊外還需消耗電能，回流閥調節基本不會(huì )減少水泵功率的消耗。采用變頻后，變頻泵組能自動(dòng)根據生產(chǎn)所需的水壓自動(dòng)調節水泵電機的轉速，保持管網(wǎng)壓力的恒定，變頻泵組調節即時(shí)范圍寬，泵組投切次數大大減少，系統節能效果顯著(zhù)，平均下來(lái)整個(gè)系統的節電率在30%左右，經(jīng)濟效益可觀(guān)。

 

5 減輕值班人員的工作強度

      原系統經(jīng)過(guò)改造后，管網(wǎng)水壓自動(dòng)檢測控制，回流閥無(wú)需調節，泵組投切有聲光告警指示，值班人員不會(huì )擔心因沒(méi)有及時(shí)地投切補給泵組、開(kāi)啟回流閥而導致的水壓過(guò)低或過(guò)高影響生產(chǎn)事故3002