（深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司 蘇冬、劉俊強）

1. 引言

      近年來隨著經(jīng)濟規(guī)模的不斷擴大，中國對能源的需求在持續(xù)較快增加，這已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸。緩解能源瓶頸制約的根本出路是堅持開發(fā)與節(jié)約并舉，節(jié)能優(yōu)先的方針，大力推進節(jié)能降耗，提高能源利用效率。

       風(fēng)機和水泵是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的重要設(shè)備，也是占比重很大的高能耗設(shè)備。以往最常用的控制手段是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度、閥門開度的大小來調(diào)整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)需求大小，設(shè)備都要全速運轉(zhuǎn)。在生產(chǎn)過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護、維修費用高居不下。

      隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器一改普通電動機只能以定速方式運行的陳舊模式，使得電動機及其拖動負載在無須任何改動的情況下即可以按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電機功耗達到系統(tǒng)高效運行的目的，因此開始有越來越多的企業(yè)選擇采用變頻器驅(qū)動的方案，來逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。

4#母液泵是屬于貴州分公司氧化鋁廠二分解工序，它主要是負責(zé)將母液槽內(nèi)的母液輸送到蒸發(fā)系統(tǒng)進行蒸發(fā)。現(xiàn)有運行系統(tǒng)，存在以下幾個方面的問題：

1）負載匹配的問題，設(shè)備傳動方式為直接拖動，正常運行時設(shè)備與工藝不是非常匹配，有節(jié)能空間；

2）控制系統(tǒng)不完善，現(xiàn)有控制采用水電抗啟動，母液泵一直運行，無法保證母液槽液位的穩(wěn)定，結(jié)果增加系統(tǒng)所耗電能；

3）控制方式落后，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的水電抗啟動模式，控制落后，能耗較高。

2. 改造方案

本方案采用1套6V變頻調(diào)速裝置來驅(qū)動液泵，并配置工頻旁路功能。

1）系統(tǒng)構(gòu)成

高壓變頻裝置配ES9000變頻器1臺、旁路開關(guān)柜1臺（用于變頻/工頻切換）、計量柜1臺。

2）6kV高壓變頻裝置

      ES9000高壓變頻裝置是由深圳庫馬克新技術(shù)股份有限公司在多年電氣傳動和自動化工程應(yīng)用豐富實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，運用當今世界最先進的可靠性熱設(shè)計和冗余設(shè)計理念，結(jié)合中國國情并采用工業(yè)級數(shù)字信號為處理器、大規(guī)模集成電路芯片和新一代高可靠性IGBT功率器件，開發(fā)設(shè)計生產(chǎn)出的高可靠性變頻節(jié)能系列產(chǎn)品。ES9000系列高壓變頻節(jié)能寶采用多單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，主回路主要由多繞組供電變壓器和數(shù)個逆變單元構(gòu)成。多繞組供電變壓器為每個逆變單元單獨供電，并實現(xiàn)單元之間的供電電源隔離和與電網(wǎng)之間的隔離。主回路結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖一

      ES9000高壓變頻節(jié)能寶的輸入側(cè)配置有多繞組隔離變壓器，變壓器的副邊有多個相互隔離的三相繞組，每三個三相繞組組成一個同相位組，向三個單元獨立供電，形成6脈沖整流輸入。6kV等級的ES9000有6個同相位組，6個同相位組構(gòu)成36脈沖輸入。

3）旁路開關(guān)柜

自動旁路柜的變頻裝置主回路圖如下：

圖 四

      6kV電源經(jīng)6KV中壓配饋線柜Q1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出真空接觸器K2送至電動機；一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上可以控制在0.1S內(nèi)完成斷開變頻器輸入側(cè)真空接觸器K1和輸出接觸器K2,將變頻裝置隔離，同時閉合真空接觸器K3，電源經(jīng)K3直接起動電動機。K2、K3之間具有閉鎖和防止誤操作功能。

4）手動/自動

      變頻設(shè)置高低速兩檔，且可以實現(xiàn)手動/自動調(diào)速。通過操作臺上的手/自動選擇開關(guān)，可以進行運行方式的選擇。自動運行時變頻器自動實現(xiàn)高、低速運行，如因生產(chǎn)需要可以改為手動來實現(xiàn)調(diào)速運行的目的。

5）本地/遠程控制功能

      變頻裝置具備本地/遠程控制功能。本地控制為通過變頻器柜上的操作面板進行就地人工啟動、停止、頻率調(diào)節(jié)等。遠程控制放在爐前控制室，設(shè)有操作臺和上位機，由配電工操作控制。通過上位機配電工可以隨時了解設(shè)備的運行情況，通過操作臺可實現(xiàn)對變頻哭進行簡單的遠方操作。配電工可以根據(jù)工況自由選擇變頻器“手動/自動”調(diào)速運行。

3. 節(jié)能分析

      離心泵類設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負載，泵的流量與電機的轉(zhuǎn)速成正比，泵的壓力與電機的轉(zhuǎn)速的兩次方成正比，泵的軸功率與電機的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。根據(jù)上述原理可知，當改變風(fēng)機、泵的轉(zhuǎn)速就可改變風(fēng)機、泵的功率。

經(jīng)過現(xiàn)場考察，二分解4#高壓母液泵參數(shù)如下：

額定軸功率：355KW 額定電壓：6KV

電機功率因數(shù)：0.88 額定壓力：5.5KG

額定流量：585m3 實際需求壓力：2.6KG

實際工作電流：28A 實際流量：500m3

根據(jù)以上實際運行數(shù)據(jù)及以上變頻調(diào)速節(jié)能原理可對變頻運行節(jié)能率進行計算：

 

閥門控制時實際消耗功率：

P_{風(fēng)門控制}=1.732×U×I×cosφ/η=1.732×6×28×0.88=256kW

式中：

P_{風(fēng)門控制}——實際運行軸功率

U——工作電壓

I——實際電流

cosφ——功率因素（額定為0.88,未滿載時功率因數(shù)會變低，但是貴州分公司有高壓補償，按額定計算）

 

變頻運行時預(yù)計消耗功率：

變頻運行時功率與流量有如下關(guān)系：

Q1/Q2=N1/N2 （1）

H1/H2=(N1/N2)² （2）

P1/P2=(N1/N2)³ （3）

其中：

N1為實際轉(zhuǎn)速、N2為額定轉(zhuǎn)速

Q1為實際流量、Q2為額定流量

H1為實際壓力、H2為額定壓力

P1為實際軸功率、P2為額定軸功率

本設(shè)備液位指標為負荷調(diào)整依據(jù)，因此由（1）、（3）式得實際運行功率：

理論運行軸功率： =355×0.855³=190kW

理論節(jié)省軸功率為：256－190＝66KW

節(jié)電率=（P_{風(fēng)門控制}－P1）/ P_{風(fēng)門控制}×100%=（256－190）/256×100%=25.7%

 

壓力數(shù)據(jù)修正：

理論運行軸功率： =355×0.6876³=80kW

理論節(jié)省軸功率為：256－80＝176KW

修正節(jié)電率=（P_{風(fēng)門控制}－P1）/ P_{風(fēng)門控制}×100%=（256－80）/256×100%=68.7%

式中：

P_{風(fēng)門控制}——閥門控制量時實際運行軸功率

P1——變頻運行時實際運行軸功率

 

預(yù)計節(jié)電率：

在當前用流量及壓力情況下，兩者較小者為以流量控制為主的節(jié)電率，因此根據(jù)修正原則，母液泵的變頻運行理論節(jié)電率25.7%。

 

節(jié)能量對比：

考慮4#高壓母液泵在生產(chǎn)中的特殊性，其年運行按11.5個月計算，即8280小時，

1）改造前

該設(shè)備一年所消耗電能為：

W_{風(fēng)門控制}=Pt=256x8280=2119680kW·h

節(jié)約電費電費按0.5元/kW·h計，則所需電費為：

Q_{風(fēng)門控制}=W*K=2119680x0.5=1059840（元）

2）改造后

該設(shè)備一年所消耗電能為：

W_變頻控制=Pt=190x8280=1573200kW·h

節(jié)約電費電費按0.5元/kW·h計，則所需電費為：

Q_變頻控制=W*K=1573200x0.5=786600（元）

綜上所述，預(yù)計安裝高壓變頻后，其節(jié)后節(jié)能產(chǎn)生的經(jīng)濟效益如下表所示：

 

                              

 

4. 結(jié)束語

      目前，此項目已在2012年5月完工，經(jīng)過三個月的試運行，實際驗收節(jié)電率為40.33%，一臺母液泵預(yù)計年節(jié)電量在104萬千瓦時，遠優(yōu)于我們的計算值，并且通過此次變頻改造，優(yōu)化了設(shè)備性能，大大減少了泵的震動，延長設(shè)備的使用壽命；有效的減小噪音，改善工作環(huán)境；系統(tǒng)發(fā)熱明顯減少，延長密封組件的使用壽命，降低停機維修率，節(jié)省大量的維護費用，此次改造取得了比預(yù)期更好的效果。