循環(huán)水泵節(jié)能變頻改造分析許鳴飛(上海先進半導體制造股份有限公司上海200237)摘要:在滿足企業(yè)生產情況下,通過電機變頻技術,并在設備原有的基礎上做局部的改動,達到節(jié)能降耗的結果,提升設備運行電能使用效率,為企業(yè)節(jié)約大量的電費,同時為節(jié)能減排做出貢獻。關鍵詞:循環(huán)水系統(tǒng)水泵電機高壓變頻器中圖分類號:TE08文獻標識碼:A文章編號:公司循環(huán)水裝置主要功能是負責向公司各級生產設備輸送合格的循環(huán)水,用以冷卻工藝介質,確保生產裝置運行正常。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”控制由遠方操作室值班人員完成,啟動方式為直接啟動。工藝設計該循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水供應能力為3500m/h,管網壓力0.6MPa在實際運行過程中,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,電機運行電流為55A,總管網壓力為0.6MPa設備技術參數型號 OMEGA300-560A功率630KW揚程83M轉速1400pm水泵流量1872m/H數量3刂只YKK450-4功率630KW相數電機作制功率因素0.897頻率50轉速1480/min定子電壓6000電流71.5A絕緣等級F重量4050KG防護等級IP54安裝形式B3冷卻方式611數量32.改造前系統(tǒng)分析(1)循環(huán)水泵設計輸送能力遠大于實際需求,電能浪費嚴重。根據資料此循環(huán)水系統(tǒng)的實際輸送量在2500~3000m3/h時即可滿足設備需求,遠小于設計輸送能力3500m3/h。而目前該循環(huán)水泵電機為工頻定速運中國煤化工調整水泵流量,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在做“無用功”中。(2)電機直接啟動,啟動沖擊電流大由于電機采用直接啟動,啟動電流較大,一般為額定電流的4-7倍。因此在啟動時,不但對電機電機絕緣造成損害,同時還會對電網造成了嚴重的沖擊,影響電網上其他設備的穩(wěn)定運行。另外,電機在直接啟動時,由于管網內水量在極短時間內的發(fā)生巨大變化,有可能產生“水錘效應”,對管網設備壽命極為不利。(3)閥門控制時節(jié)流損耗大由現場調查得知,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)低功率因數電機功率因數不高(額定0.89,實際功率因數更低),降低了設備電能的使用效率。2.變頻改造后系統(tǒng)分析水泵是典型的變轉矩負載。變轉矩負載的特性是轉矩隨速度的上升而上升。水泵的電動機的軸功率P與其流量Q,揚程H之間的關系式如下:P∝Q×H當流量Q有變化到Q2時,電動機的轉速為N、N2,此時Q、P、H相對于轉速的關系如下:Q2=Q1×(N2/N)(2)H-1×(N2/N)2(3)P2=P1×(N2/N)3(4)而電動機的軸功率P和轉矩T的關系為T∝P/N(5)因此,T2=T1×(N2/N)2由式(3)和式(6)可以看出,水泵的電動機的軸功率(功率輸出)與轉速的3次方成正比,而轉矩與轉速的2次方成正比。圖01(a)顯示出了水泵的壓力與流量的關系曲線,圖01(b)顯示出轉矩與電機速度的關系曲線中國煤化工CNMHG壓力轉速N2時功率P轉速M1時轉矩T功率與轉速的立方成正比HI阻力曲線轉矩與轉速的平方成轉速100%圖01(a)從圖01(b)中可以看出,在低速時,電動機功率會有很大的下降。由于水泵運行于額定轉速以上是恒定功率調速,此時水泵效率很低,機械磨損很大,容易損壞電機。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,根據水泵工作原理與運行曲線,我們可以得到下圖中的100%轉速運行特性曲線(阻抗曲線),這條曲線配合水泵在不同流量運行時可以得到在未應用變頻調速情況下使用閥門調節(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:使用閥門運行曲線阻抗曲線R3變頻器s1.2水泵運行曲線100%轉0.690%轉速80%轉50%轉速70%轉速由此可見,采用變頻調速裝置調節(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,閥門控制消耗電機額定功率的約85%,而變頻控制只有消耗電機額定功率的約25%采用變頻調速裝置在泵類等具有平方轉矩特性的負載時,TH中國煤化工CNMHG無功功率消耗不但增加線損和設備的發(fā)熱,更主要的是使設備使用效率低下,浪費嚴重由公式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,可知COSΦ越大,有功功率P越大,普通水泵電機的功率因數在0.6-0.7之間,使用變頻調速裝置后,由于變頻器內部濾波電容的作用,COSΦ≈1,從而減少了無功損耗,增加了電網的有功功率,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,這樣會對機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊,而且還對電網容量要求過高,啟動時產生的震動和沖擊對擋板和閥門的損害極大,對設備、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,減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求,同時通過對升速時間的預置來延長啟動過程,使啟動過程中的動態(tài)轉矩大為減小,從而能有效地避免“水錘效應”的產生,極大減小了對管道、閥門及檢測元件的沖擊,延長了設備和閥門的使用壽命,節(jié)省了設備的維護費用。同樣在停機時,采用變頻軟停止,也能有效的避免“水錘效應”。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)閥門調節(jié)時耗電成本(M1)根據電機設備參數可知,閥門全開的水泵電機運行電流約71A,當閥門開度為30%的水泵電機運行電流為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小時運行時間計算,則年度耗電量為:年度耗電量=508kw×8500h=4318000kwh電費以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)變頻調節(jié)時耗電成本(M2)設電機效率為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,根據泵類負載轉速、流量關系設定頻率為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,因此,對于有工頻泵和變頻泵同時運行的循環(huán)水泵系統(tǒng),為保證管網設備的更安全運行(特別是要滿足最低壓力要求0.45Mpa),可將頻率調整至39H,那么采用變頻器后,在變頻運行時(閥門全開),由流體力學知識可知,電機輸出功率為:P電機=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)/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)延長電氣設備以及水泵、管道等設備壽命,降低設備維護維修費用(暫無法估計,但從長遠來看,其節(jié)省經濟效益應該是相當可觀的)中國煤化工CNMHG