淺談變頻器在燃氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要

摘要：本文對鞍山市燃氣系統(tǒng)中變頻器的應(yīng)用情況進行了總結(jié)，為現(xiàn)有燃氣系統(tǒng)調(diào)速控制改造提供了參考和依據(jù)。關(guān)鍵詞：變壓器；負載率1 引言 在節(jié)能降耗日益重要的今天，無論從國家大
摘要：本文對鞍山市燃氣系統(tǒng)中變頻器的應(yīng)用情況進行了總結(jié)，為現(xiàn)有燃氣系統(tǒng)調(diào)速控制改造提供了參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：變壓器；負載率
1 引言
    在節(jié)能降耗日益重要的今天，無論從國家大力提倡企業(yè)降低資源的消耗，還是從企業(yè)自身經(jīng)濟利益及其發(fā)展的角度講，節(jié)能降耗都是企業(yè)的當務(wù)之急。調(diào)速技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用帶來的節(jié)能效果是明顯的[1～3]，在燃氣供應(yīng)系統(tǒng)中主要耗電設(shè)備是燃氣輸送類設(shè)備(如燃氣壓縮機和燃氣鼓風機)與燃氣濕法脫硫凈化設(shè)備(如溶液泵和空氣壓縮機)，對其進行變頻節(jié)能改造是企業(yè)的重中之重。
2 變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的功耗分析
    在各類負載中，以流體(氣體或液體)的流量作為控制對象的機械占有相當大的比例，例如：風機、水泵、壓縮機等等。改變流量的方法一般有兩種：電動機的轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)節(jié)閥門(或風門)的開度；閥門(或風門)的開度恒定，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。在被控流量相同的情況下，兩種方法的耗用功率是很不一樣的。
(1) 水泵系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量的方法比較
    見圖1，當閥門全部打開時，供水系統(tǒng)的阻力特性是曲線1；額定轉(zhuǎn)速時，泵的揚程特性是曲線2。這時，供水系統(tǒng)的工作點為A點；流量為QA；揚程為HA；電動機的軸功率與面積0QAAHA成正比。
    要使流量減少為QB，主要的調(diào)節(jié)方法有兩種：
    ① 轉(zhuǎn)速不變、將閥門關(guān)小，這時阻力特性如曲線3所示，工作點上移至B點；流量為QB；揚程為HB；電動機的軸功率與面積0QBBHB成正比。
    ② 閥門的開度不變，降低轉(zhuǎn)速這時揚程特性曲線如曲線4所示，工作點移至C點；流量仍為QB；但揚程為HC；電動機的軸功率與面積0QCCHC成正比。
對比以上兩種方法，可以十分明顯地看出，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)節(jié)流量，電動機所需要的功率將大大減少，因而是一種能夠顯著節(jié)約能源的方法。
 

    (2) 風機系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量功耗比較分析
    由流體力學可知，風量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率Ps與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。當所需風量減少風機轉(zhuǎn)速降低時，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降，如所需風量為額定風量的80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額
    定轉(zhuǎn)速的80%，而軸功率下降為額定功率的從事燃氣工程設(shè)計、管理及相關(guān)研究工作。51.2%，當所需風量為額定風量的50%時，軸功率可以下降為額定功率的12.5%。
    當然，轉(zhuǎn)速降低時，效率也會有所降低，同時還應(yīng)考慮控制裝置附加損耗，即便如此，這種方法的節(jié)電效果也是非?？捎^的。綜合以上分析可以看出變頻調(diào)速是節(jié)能方式的最佳選擇。
3 變頻器在燃氣生產(chǎn)中的使用
    鞍山燃氣總公司每年消耗電量達4.2×106kWh，其主要耗電設(shè)備是燃氣輸送類設(shè)備(如燃氣壓縮機和燃氣鼓風機)與燃氣濕法脫硫凈化設(shè)備(如溶液泵和空氣壓縮機)。可以看出主要耗電設(shè)備都是風機和泵類，采取變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)進行控制其節(jié)能效果非常明顯。結(jié)合實際情況，選擇變頻器兩種控制方式，一是對供氣設(shè)備用變頻器做閉環(huán)調(diào)節(jié)保持市街管網(wǎng)的壓力恒定；二是對燃氣濕法脫硫凈化用開環(huán)控制利用變頻器的無極調(diào)速功能。
(1) 變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)的基本配置
    鞍山燃氣總公司使用變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)是用在燃氣的輸送，以輸出壓力作為控制對象，見圖2。由顯示設(shè)定控制器輸出控制信號接至變頻器，變頻器輸出控制電動機的工作頻率，由壓力傳感器取出信號接至變頻器，利用變頻器白帶的內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器，與預(yù)置的壓力給定信號相比較后，經(jīng)PID調(diào)節(jié)控制改變電動機的轉(zhuǎn)速。
 

    變頻器采用西門子公司的MM4系列變頻器，壓力變送器采用本質(zhì)安全型，顯示給定器是集顯示現(xiàn)場實際壓力和設(shè)定壓力為一體的裝置。其工作方式是先將顯示給定器的量程設(shè)定成與變送器的量程一致，通過改變設(shè)定壓力，輸出與之相應(yīng)的標準信號，變頻器接收該信號并與變送器的信號相比較進行PI控制。
(2) 變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)在燃氣供氣中的應(yīng)用
    鞍山燃氣總公司山南供氣站供應(yīng)鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠有一條專用供氣線，在未使用變頻器時使用的是30kW的羅茨鼓風機供氣，當需要壓力調(diào)節(jié)時工人去開閉旁通閥調(diào)節(jié)壓力，由于時間具有不確定性，加大了工人的勞動強度，同時由于該設(shè)備連續(xù)運行且距離居民住宅較近，在夏天半夜時的噪音很大，經(jīng)常有居民投訴。為此，鞍山燃氣總公司決定使用變頻器恒壓控制來保證供氣壓力穩(wěn)定，對于噪音的解決辦法，考慮選用大的羅茨鼓風機，通過大幅度降低轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)噪音的降低，但選用大的羅茨鼓風機同時又要從運行費用方面進行分析。為此在改造之前，鞍山燃氣總公司對原有30kW的羅茨鼓風機進行了耗電量分析，發(fā)現(xiàn)實際耗電量為17.5kWh。變頻恒壓改造鞍山燃氣總公司選用的是90kW的羅茨鼓風機，調(diào)節(jié)器安裝在操作室內(nèi)，職工根據(jù)調(diào)度指令設(shè)定壓力。無論燒結(jié)廠用氣量如何變化，均能實現(xiàn)壓力的恒定，極大減輕了職工的勞動強度。變頻器的實際輸出頻率僅為17.6Hz，經(jīng)實際測量使用變頻器控制的90kW羅茨鼓風機的實際耗電量儀為18.5kWh。改造后無論是在供氣工藝、噪音控制、耗電等方面均達到了理想效果。對交流電動機轉(zhuǎn)速進行變頻調(diào)節(jié)，除具有顯著的節(jié)能作用、調(diào)速性能之外，還能保護附屬電氣設(shè)備，減小電機啟動時造成的機械沖擊，是理想的節(jié)能和控制裝置。
(3) 變頻節(jié)能改造在濕法脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用
    在濕法脫硫系統(tǒng)采用開環(huán)控制，在滿足生產(chǎn)的前提下調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，實際頻率為溶液泵是40.5Hz、空壓機是45Hz。濕法脫硫系統(tǒng)是長期連續(xù)運行設(shè)備，其節(jié)能效果相當明顯，耗電量降低了20%左右。
4 變頻器在燃氣生產(chǎn)使用中的綜合效益分析
(1) 提高變壓器的負載率
    電動機直接啟動時電流是額定電流的6～7倍，由于啟動電流大對供電容量有較高要求。當由變壓器進行供電時，單臺電機的容量不能超過變壓器容量的1/3；當由柴油發(fā)電機進行供電時，單臺電機的容量不能超過發(fā)電機容量的1/4。這也造成供電容量大于設(shè)備容量之和較多的情況出現(xiàn)，使得基本電費增加，同時也限制了供氣工藝的改造，不能選用更大電動機容量的設(shè)備。當使用變頻器控制電動機時，啟動電流為額定電流以下，這樣在供電容量不變的情況下，可以選用更大的電動機。如鞍山燃氣總公司鐵西供氣站是1997年改建，供電容量為800kVA，由2臺400kVA變壓器并列運行，主要供氣設(shè)備功率為2臺160kW和1臺90kW羅茨鼓風機，實際變壓器負載率為60%左右。隨著用氣量增加原有供氣能力已不能滿足需要，需要更新為兩臺250kW的羅茨鼓風機，按照以前的控制方式需要對用電容量進行增容，就需更換成2臺630kVA變壓器，會造成較大的投資。當利用變頻器控制后，考慮到使用變頻器啟動電機時啟動電流是在額定電流以下，就不用對用電容量進行增容，進而節(jié)約資金。為此2008年增加變頻系統(tǒng)。用兩臺250kW的變頻器帶動羅茨鼓風機供氣，仍然用原有的2臺400kVA變壓器并列運行供電，實現(xiàn)了在不增容的前提下提升供氣能力，現(xiàn)在變壓器負載率為80%左右。
(2) 在天然氣供應(yīng)的應(yīng)急保證
    鞍山市焦爐氣與天然氣的供應(yīng)工藝上有區(qū)別，焦爐氣供應(yīng)由4個儲配站實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)狀供應(yīng)，天然氣是單獨儲配站支線供應(yīng)，這樣就對天然氣的供應(yīng)提出了更高的要求，一旦電網(wǎng)停電就會造成無法供氣的局面。隨著變頻器推廣應(yīng)用，能否使用發(fā)電機帶動供氣鼓風機運行。天然氣儲配站配備有1臺120kVA的柴油發(fā)電機，是作為保證儲罐正常運行的后備電源供應(yīng)，而天然氣的羅茨鼓風機是160kW，按常理用120kVA的柴油發(fā)電機是決不可能帶動的，但考慮到使用變頻器時電機啟動電流是在額定電流以下，并且羅茨鼓風機屬于輕載負荷，故此存在這種可能性。首先，測量電機啟動電流，用變頻器帶動的160kW電機啟動電流為160A，低于發(fā)電機的額定電流180A，故此認為可以進行一下試驗。經(jīng)過試驗，120kVA的柴油發(fā)電機可以帶動160kW的羅茨鼓風機進行供氣。但這種情況旨在維持市街管網(wǎng)的基本壓力，無法滿足供氣設(shè)備滿負荷運行。
5 結(jié)束語
    通過使用變頻器后，鞍山燃氣公司的總耗電量下降了15%左右；實現(xiàn)了全自動控制大大降低了操作人員的勞動強度，減少了設(shè)備啟停時的電流和機械沖擊，延長了設(shè)備機組的使用壽命，取得了良好的經(jīng)濟效益。使用變頻器啟動電機時利用啟動電流在額定電流以下的特性，實現(xiàn)了在不增容的前提下提升供氣能力，提高了變壓器的負載率，并利用該特性提高了天然氣供氣的可靠性。
參考文獻：
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[2] 淺談變頻器在焙燒多功能天車的應(yīng)用[J].2009.3：22-23，7.
[3] 供水系統(tǒng)調(diào)速控制改造能耗比較研究[J].科技信息，2009.26：90-91.
 
(本文作者：馬瑛超1 劉延智2 譚洪艷3 1.鞍山市燃氣總公司 遼寧鞍山 114002：2.西安秦華天然氣有限公司 陜西西安 710075：3.遼寧科技大學資源與土木工程學院 遼寧鞍山 114051)