變頻器在無塔供水改造設備中的節能應用案例

 

一. 概述

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

 

      應用實踐證明，交流電機變頻調速一般能節電 30%左右，目前工業發達國家已廣泛采用變頻調速技術，在我國也是國家重點推廣的節電新技術。變頻器應用在制糖工業的風機、水泵、壓榨機、離心機等負載，能取得了顯著的節能效果。

 

二．無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系統組成，第一路管網供水水泵六臺，水泵電機分別為：110KW五臺、75KW一臺；第二路管網水泵六臺，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行投切，水壓隨用生產用水量的變化及泵組的投切變化較大，泵組投切對電網的沖擊影響很大，根據生產工藝對水壓及流量的要求，需要開回流閥進行調節。

 

2 無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：

      無塔供水改造設備系統部分采用變頻控制，在每一管網上按裝壓力傳感器，即時檢測管網水壓，根據生產用水量的變化變頻控制系統自動調節水泵電機的轉速從而控制系統供水量，保證管網水壓的恒定。第一路管網由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，極大地改善了生產工藝。改造系統控制圖如下：

 

3 無塔供水改造設備變頻改造節能原理

a 泵類的特性和參數:

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如圖2所示。

 

      鑒于泵的設計與制造方面會有誤差，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機的功率，圖3為流量和揚程特性曲線。

 

圖2 一般標準泵的效率 圖3 流量和揚程特性曲線

 

b 管網的水阻特性

當管網的水阻R保持不變時，水量與過水阻力之間的關系是不確定的， 

 

即水量Q與過水阻力h按阻力定律變化，其表達式為:

 

式中，H—過水阻力 R—水阻系數。 

 

H=f(Q)關系曲線為水阻特性曲線，呈拋物線形狀，如圖4所示。由圖4可知，水阻系數R越大，曲線越陡，即過水阻力越大。

c 泵類調速控制節能原理

由流體力學可知，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—風機、泵類的額定風(流)量;

He—風機、泵類的額定壓力;

Pe—風機、泵類的額定功率;

ne—風機、泵類的額定轉速。

 

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

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

 

      此時風機、水泵的軸功率Q1AH1Q圍成的矩形面積成正比。當欲使風量由Q1減少到Q2使用擋板或閥門時，則新的風阻、水阻特性曲線H相交于B點，此時風機軸功率與Q2BH2Q圍成的矩形面積成正比。如果采用調速方法將風機、水泵的轉速降到n2使對應的風機特性曲線H與風阻特性曲線R2相交于C點。此時與風機軸功率成正比的Q2CH3Q圍成的矩形面積顯著減少，說明軸功率下降很多，節能效果明顯。

 

三、無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，管網遠程壓力表即時檢測管網壓力并轉化為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。系統參數可在實際運行中調整，使系統控制響應快速。管網壓力可根據生產工藝任意給定，變頻系統自動跟隨控制，保持管網設定的壓力恒定，既節能足制糖生產對水壓的要求。接線圖如下：

 

2 泵組投切指示

      系統能即時檢測供水管網水壓，當現有泵組不能滿足生產用水需要或超過生產用水需要時，系統能自動發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，從而保證生產用水的需要。

 

3 工變頻切換功能

      制糖工業供水系統可靠性要求高，一旦故障會影響對整個生產帶來嚴重的影響，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，當變頻器萬一出現故障或例行檢修時，可立即切換到工頻運行，用原有備用自耦降壓啟動系統啟動水泵，從而保證供水的連續性，整個系統的可靠性能很好地滿足生產的要求。兩套啟動系統電氣聯鎖，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、無塔供水改造后收益

1 延長設備及管網使用壽命，減少系統維修工作量。

      由于采用變頻恒壓控制，水泵的啟動為軟啟動，消除了大電機啟動時沖擊力矩對電機的影響，水泵在啟動時的沖擊大為減少，同時由于軟啟動且水壓為恒壓控制，消除了啟動時對管網的水錘效應，爆管現象不再發生。因此延長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 改善供水質量，提高了整個系統的可靠性。

      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。隨著生產工藝的變化，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，且兩套啟動系統可以互為備用，保證了系統供水的連續性，為系統經濟優化運行提供了可靠保證。

 

3 改善工廠的用電狀況。

      采用變頻軟啟動后，消除了原啟動系統啟動時對電網的沖擊，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，線路損耗也大為減少，改善了工廠用電的狀況。

 

4 節能效果顯著，經濟效益可觀。

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

 

5 減輕值班人員的工作強度

      原系統經過改造后，管網水壓自動檢測控制，回流閥無需調節，泵組投切有聲光告警指示，值班人員不會擔心因沒有及時地投切補給泵組、開啟回流閥而導致的水壓過低或過高影響生產事故3002