循環(huán)水泵節(jié)能變頻改造分析許鳴飛(上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造股份有限公司上海200237)摘要:在滿足企業(yè)生產(chǎn)情況下,通過電機(jī)變頻技術(shù),并在設(shè)備原有的基礎(chǔ)上做局部的改動,達(dá)到節(jié)能降耗的結(jié)果,提升設(shè)備運(yùn)行電能使用效率,為企業(yè)節(jié)約大量的電費(fèi),同時為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞:循環(huán)水系統(tǒng)水泵電機(jī)高壓變頻器中圖分類號:TE08文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:公司循環(huán)水裝置主要功能是負(fù)責(zé)向公司各級生產(chǎn)設(shè)備輸送合格的循環(huán)水,用以冷卻工藝介質(zhì),確保生產(chǎn)裝置運(yùn)行正常。1.工藝概況該循環(huán)水系統(tǒng)由三臺型號規(guī)格相同的水泵及與之匹配的三臺電機(jī)組成,其工藝流程示意圖如下冷卻塔集水池循環(huán)水泵換熱設(shè)備循環(huán)水泵使用規(guī)律為“兩用一備”,其“啟動、停止”控制由遠(yuǎn)方操作室值班人員完成,啟動方式為直接啟動。工藝設(shè)計該循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水供應(yīng)能力為3500m/h,管網(wǎng)壓力0.6MPa在實際運(yùn)行過程中,循環(huán)水的實際需求量為2500~300m/h,其中一臺循環(huán)水泵閥門為全開,另一臺水泵閥門開度為30%左右,電機(jī)運(yùn)行電流為55A,總管網(wǎng)壓力為0.6MPa設(shè)備技術(shù)參數(shù)型號 OMEGA300-560A功率630KW揚(yáng)程83M轉(zhuǎn)速1400pm水泵流量1872m/H數(shù)量3刂只YKK450-4功率630KW相數(shù)電機(jī)作制功率因素0.897頻率50轉(zhuǎn)速1480/min定子電壓6000電流71.5A絕緣等級F重量4050KG防護(hù)等級IP54安裝形式B3冷卻方式611數(shù)量32.改造前系統(tǒng)分析(1)循環(huán)水泵設(shè)計輸送能力遠(yuǎn)大于實際需求,電能浪費(fèi)嚴(yán)重。根據(jù)資料此循環(huán)水系統(tǒng)的實際輸送量在2500~3000m3/h時即可滿足設(shè)備需求,遠(yuǎn)小于設(shè)計輸送能力3500m3/h。而目前該循環(huán)水泵電機(jī)為工頻定速運(yùn)中國煤化工調(diào)整水泵流量,因此,為匹配循環(huán)水用戶的實際需求量,只能采用閥門CNMHG,從而造成很大部分的電能浪費(fèi)在做“無用功”中。(2)電機(jī)直接啟動,啟動沖擊電流大由于電機(jī)采用直接啟動,啟動電流較大,一般為額定電流的4-7倍。因此在啟動時,不但對電機(jī)電機(jī)絕緣造成損害,同時還會對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的沖擊,影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。另外,電機(jī)在直接啟動時,由于管網(wǎng)內(nèi)水量在極短時間內(nèi)的發(fā)生巨大變化,有可能產(chǎn)生“水錘效應(yīng)”,對管網(wǎng)設(shè)備壽命極為不利。(3)閥門控制時節(jié)流損耗大由現(xiàn)場調(diào)查得知,其中一臺水泵閥門開度僅為30%,水泵長期處于“憋泵”狀態(tài),加速了閥體自身磨損,導(dǎo)致閥門控制特性變差,同時還會有部分能耗消耗在節(jié)流損失中。(4)低功率因數(shù)電機(jī)功率因數(shù)不高(額定0.89,實際功率因數(shù)更低),降低了設(shè)備電能的使用效率。2.變頻改造后系統(tǒng)分析水泵是典型的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載。變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性是轉(zhuǎn)矩隨速度的上升而上升。水泵的電動機(jī)的軸功率P與其流量Q,揚(yáng)程H之間的關(guān)系式如下:P∝Q×H當(dāng)流量Q有變化到Q2時,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為N、N2,此時Q、P、H相對于轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下:Q2=Q1×(N2/N)(2)H-1×(N2/N)2(3)P2=P1×(N2/N)3(4)而電動機(jī)的軸功率P和轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系為T∝P/N(5)因此,T2=T1×(N2/N)2由式(3)和式(6)可以看出,水泵的電動機(jī)的軸功率(功率輸出)與轉(zhuǎn)速的3次方成正比,而轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的2次方成正比。圖01(a)顯示出了水泵的壓力與流量的關(guān)系曲線,圖01(b)顯示出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)速度的關(guān)系曲線中國煤化工CNMHG壓力轉(zhuǎn)速N2時功率P轉(zhuǎn)速M(fèi)1時轉(zhuǎn)矩T功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比HI阻力曲線轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成轉(zhuǎn)速100%圖01(a)從圖01(b)中可以看出,在低速時,電動機(jī)功率會有很大的下降。由于水泵運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以上是恒定功率調(diào)速,此時水泵效率很低,機(jī)械磨損很大,容易損壞電機(jī)。從理論上講,速度降低10%時會帶來30%左右的功率下降,由于功率的大幅度降低,可獲得顯著的節(jié)能效果。下表為速度降低后的理論節(jié)能表100P2/P1100%73%61.4%51%3421.613.0‰節(jié)電率027%38.6%4978.4%87%另外,根據(jù)水泵工作原理與運(yùn)行曲線,我們可以得到下圖中的100%轉(zhuǎn)速運(yùn)行特性曲線(阻抗曲線),這條曲線配合水泵在不同流量運(yùn)行時可以得到在未應(yīng)用變頻調(diào)速情況下使用閥門調(diào)節(jié)流量時的功率。采用閥門控制、變頻控制時水泵能耗特性如下圖:使用閥門運(yùn)行曲線阻抗曲線R3變頻器s1.2水泵運(yùn)行曲線100%轉(zhuǎn)0.690%轉(zhuǎn)速80%轉(zhuǎn)50%轉(zhuǎn)速70%轉(zhuǎn)速由此可見,采用變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)流量時,水泵消耗的功率幾乎是理論最低耗能值。在流量為60%時,閥門控制消耗電機(jī)額定功率的約85%,而變頻控制只有消耗電機(jī)額定功率的約25%采用變頻調(diào)速裝置在泵類等具有平方轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載時,TH中國煤化工CNMHG無功功率消耗不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱,更主要的是使設(shè)備使用效率低下,浪費(fèi)嚴(yán)重由公式P=S*COSqQ=S*SINO其中:S一視在功率,P一有功功率,Q一無功功率,COSΦ一功率因數(shù),可知COSΦ越大,有功功率P越大,普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.6-0.7之間,使用變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用,COSΦ≈1,從而減少了無功損耗,增加了電網(wǎng)的有功功率,更重要的是使水泵工作效率總是處于最佳工作狀態(tài)。由于電機(jī)為直接啟動或Y△A啟動,啟動電流等于47倍額定電流,這樣會對機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊,而且還對電網(wǎng)容量要求過高,啟動時產(chǎn)生的震動和沖擊對擋板和閥門的損害極大,對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后,利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始,最大值也不超過額定電流,減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求,同時通過對升速時間的預(yù)置來延長啟動過程,使啟動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小,從而能有效地避免“水錘效應(yīng)”的產(chǎn)生,極大減小了對管道、閥門及檢測元件的沖擊,延長了設(shè)備和閥門的使用壽命,節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。同樣在停機(jī)時,采用變頻軟停止,也能有效的避免“水錘效應(yīng)”。3.改造后節(jié)能效果分析(以單臺循環(huán)水泵為例)(1)水泵系統(tǒng)閥門調(diào)節(jié)時耗電成本(M1)根據(jù)電機(jī)設(shè)備參數(shù)可知,閥門全開的水泵電機(jī)運(yùn)行電流約71A,當(dāng)閥門開度為30%的水泵電機(jī)運(yùn)行電流為55A,因此在閥門控制時消耗功率為P閥=√3 UCOS中=1.732×6000×55×0.89=508kW全年以8500小時運(yùn)行時間計算,則年度耗電量為:年度耗電量=508kw×8500h=4318000kwh電費(fèi)以0.63元/度計算,則年度耗電成本為年度耗電成本(M1)=4318000kwh×0.63元/kwh=2720340元(2)水泵系統(tǒng)變頻調(diào)節(jié)時耗電成本(M2)設(shè)電機(jī)效率為98%,變頻器效率為97%,額定流量時軸功率為630kw目前循環(huán)水用戶的實際需求量在2500-300m/h,而單臺TH中國煤化工1872m/hCNMHG因此在滿足用戶最大循環(huán)水需求量時另外一臺輸送水量只需1128m3/h,那么在使用變頻器后,根據(jù)泵類負(fù)載轉(zhuǎn)速、流量關(guān)系設(shè)定頻率為35Hz即可滿足工藝要求。由于此次改造只針對其中一臺水泵電機(jī),因此,對于有工頻泵和變頻泵同時運(yùn)行的循環(huán)水泵系統(tǒng),為保證管網(wǎng)設(shè)備的更安全運(yùn)行(特別是要滿足最低壓力要求0.45Mpa),可將頻率調(diào)整至39H,那么采用變頻器后,在變頻運(yùn)行時(閥門全開),由流體力學(xué)知識可知,電機(jī)輸出功率為:P電機(jī)=P畫×(N2N1)÷n1÷n2=630×(39/50):0.98÷0.97=314.5kW年度耗電量:=314.5kw×8500h=2673250kwh年度耗電成本(M2)=2673250kwh×0.63元/kwh=1684148元(3)年度直接節(jié)電效益(M3)節(jié)電率=(P閥-P電機(jī))/P閥=(508-314.5)÷508=38%年度節(jié)電效益(M3)=M1-M2=2720340-1684148=1036192元(4)年度間接節(jié)省效益(M)延長電氣設(shè)備以及水泵、管道等設(shè)備壽命,降低設(shè)備維護(hù)維修費(fèi)用(暫無法估計,但從長遠(yuǎn)來看,其節(jié)省經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)該是相當(dāng)可觀的)中國煤化工CNMHG