變頻器在無塔供水改造設(shè)備中的節(jié)能應(yīng)用案例
變頻器在無塔供水改造設(shè)備中的節(jié)能應(yīng)用案例
一. 概述
在我國的制糖行業(yè)中，很多重要的生產(chǎn)設(shè)備均為高能耗設(shè)備，設(shè)備的電力拖動離不開調(diào)速，受設(shè)計時的技術(shù)條件的限制，很多設(shè)備的拖動調(diào)速在設(shè)計時大都采用能耗調(diào)節(jié)，交流電動機(jī)變頻調(diào)速是在現(xiàn)代微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，它不但比傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速優(yōu)越，而且也比調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等調(diào)速方式優(yōu)越。它的特點是調(diào)速平滑、調(diào)速范圍寬、效率高特性好、結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械特性硬、保護(hù)功能齊全，運行平穩(wěn)安全可靠，在生產(chǎn)過程中能獲得最佳速度參數(shù)，是理想的調(diào)速方式。
應(yīng)用實踐證明，交流電機(jī)變頻調(diào)速一般能節(jié)電 30%左右，目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家已廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)，在我國也是國家重點推廣的節(jié)電新技術(shù)。變頻器應(yīng)用在制糖工業(yè)的風(fēng)機(jī)、水泵、壓榨機(jī)、離心機(jī)等負(fù)載，能取得了顯著的節(jié)能效果。
二．無塔供水改造設(shè)備工作原理
1 原供水系統(tǒng)工況
原供水系統(tǒng)由二路管網(wǎng)系統(tǒng)組成，第一路管網(wǎng)供水水泵六臺，水泵電機(jī)分別為：110KW五臺、75KW一臺；第二路管網(wǎng)水泵六臺，水泵電機(jī)分別為：155KW五臺、220KW一臺。水泵投切依靠值班人員根據(jù)壓力進(jìn)行投切，水壓隨用生產(chǎn)用水量的變化及泵組的投切變化較大，泵組投切對電網(wǎng)的沖擊影響很大，根據(jù)生產(chǎn)工藝對水壓及流量的要求，需要開回流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2 無塔供水改造設(shè)備變頻節(jié)能改造方案
由以上系統(tǒng)工況可知，該系統(tǒng)適于作變頻節(jié)能改造，改造方案如下：
無塔供水改造設(shè)備系統(tǒng)部分采用變頻控制，在每一管網(wǎng)上按裝壓力傳感器，即時檢測管網(wǎng)水壓，根據(jù)生產(chǎn)用水量的變化變頻控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而控制系統(tǒng)供水量，保證管網(wǎng)水壓的恒定。第一路管網(wǎng)由110KW變頻節(jié)能系統(tǒng)控制兩臺水泵電機(jī)，一用一備，其余四臺工頻控制；第二路管網(wǎng)由220KW節(jié)能變頻系統(tǒng)控制一臺220KW水泵電機(jī)及一臺155KW水泵電機(jī)，一用一備，其余四臺工頻控制。改造后節(jié)電效果顯劇，恒壓供水，極大地改善了生產(chǎn)工藝。改造系統(tǒng)控制圖如下：
3 無塔供水改造設(shè)備變頻改造節(jié)能原理
a 泵類的特性和參數(shù):
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(shè)在揚程內(nèi)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)泵的大致效率曲線如圖2所示。
鑒于泵的設(shè)計與制造方面會有誤差，故電機(jī)的輸出功率應(yīng)較軸功率計算值有5～20%的裕量，而后根據(jù)流量和揚程求出電動機(jī)的功率，圖3為流量和揚程特性曲線。
圖2 一般標(biāo)準(zhǔn)泵的效率 圖3 流量和揚程特性曲線
b 管網(wǎng)的水阻特性
當(dāng)管網(wǎng)的水阻R保持不變時，水量與過水阻力之間的關(guān)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(dá)式為:
式中，H—過水阻力 R—水阻系數(shù)。
H=f(Q)關(guān)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(shù)R越大，曲線越陡，即過水阻力越大。
c 泵類調(diào)速控制節(jié)能原理
由流體力學(xué)可知，水量Q與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速的平方
成正比，功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
式中: Qe—風(fēng)機(jī)、泵類的額定風(fēng)(流)量;
He—風(fēng)機(jī)、泵類的額定壓力;
Pe—風(fēng)機(jī)、泵類的額定功率;
ne—風(fēng)機(jī)、泵類的額定轉(zhuǎn)速。
由上面的公式可知，如果泵類的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)水量下降時，轉(zhuǎn)速可成比例下降，此時水泵的軸功率是成立方關(guān)系下降。
另根據(jù)水泵類的特性曲線與水阻特性的關(guān)系曲線也可明顯的看出風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能效果。圖5為風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速節(jié)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(fēng)阻特性曲線R1相交與A點。對應(yīng)的風(fēng)量為Q1。
此時風(fēng)機(jī)、水泵的軸功率Q1AH1Q圍成的矩形面積成正比。當(dāng)欲使風(fēng)量由Q1減少到Q2使用擋板或閥門時，則新的風(fēng)阻、水阻特性曲線H相交于B點，此時風(fēng)機(jī)軸功率與Q2BH2Q圍成的矩形面積成正比。如果采用調(diào)速方法將風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速降到n2使對應(yīng)的風(fēng)機(jī)特性曲線H與風(fēng)阻特性曲線R2相交于C點。此時與風(fēng)機(jī)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(jié)能效果明顯。
三、無塔供水改造設(shè)備系統(tǒng)配置
1恒壓供水功能
ALPHA6000變頻系統(tǒng)內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)器，管網(wǎng)遠(yuǎn)程壓力表即時檢測管網(wǎng)壓力并轉(zhuǎn)化為0~10V電壓信號，直接送入變頻器模擬電壓輸入口，設(shè)定給定壓力值，PID參數(shù)值，變頻器內(nèi)置PID運算后控制輸出頻率。系統(tǒng)參數(shù)可在實際運行中調(diào)整，使系統(tǒng)控制響應(yīng)快速。管網(wǎng)壓力可根據(jù)生產(chǎn)工藝任意給定，變頻系統(tǒng)自動跟隨控制，保持管網(wǎng)設(shè)定的壓力恒定，既節(jié)能足制糖生產(chǎn)對水壓的要求。接線圖如下：
2 泵組投切指示
系統(tǒng)能即時檢測供水管網(wǎng)水壓，當(dāng)現(xiàn)有泵組不能滿足生產(chǎn)用水需要或超過生產(chǎn)用水需要時，系統(tǒng)能自動發(fā)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(chǎn)用水的需要。
3 工變頻切換功能
制糖工業(yè)供水系統(tǒng)可靠性要求高，一旦故障會影響對整個生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的影響，因此該系統(tǒng)設(shè)置了工變頻切換功能。系統(tǒng)在一般情況下運行在變頻恒壓供水狀態(tài)，當(dāng)變頻器萬一出現(xiàn)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(tǒng)啟動水泵，從而保證供水的連續(xù)性，整個系統(tǒng)的可靠性能很好地滿足生產(chǎn)的要求。兩套啟動系統(tǒng)電氣聯(lián)鎖，可防止誤操作，確保系統(tǒng)的安全運行。
四、參數(shù)調(diào)試
頻率設(shè)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(shè)定
P0.09
20HZ
停機(jī)方式
P1.08
1(自由停機(jī))
X1端子功能
P3.01
1(FWD正向運行)
X3端子功能
P3.03
6(RST復(fù)位)
給定量選擇
P7.00
0（PID數(shù)字給定）
反饋量選擇
P7.01
模擬PID數(shù)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(shè)備及管網(wǎng)使用壽命，減少系統(tǒng)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(jī)啟動時沖擊力矩對電機(jī)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(wǎng)的水錘效應(yīng)，爆管現(xiàn)象不再發(fā)生。因此延長了原有設(shè)備的使用壽命，故障率大為降低，減少系統(tǒng)維修的工作量。
2 改善供水質(zhì)量，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
采用變頻恒壓控制系統(tǒng)后，可以非常平滑地調(diào)節(jié)供水壓力，值班人員對系統(tǒng)的調(diào)整控制更加穩(wěn)定自如。隨著生產(chǎn)工藝的變化，可以很方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水壓力。由于采用新系統(tǒng)后，故障率大為降低，且兩套啟動系統(tǒng)可以互為備用，保證了系統(tǒng)供水的連續(xù)性，為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)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(tǒng)啟動時對電網(wǎng)的沖擊，新系統(tǒng)的功率因數(shù)可達(dá)0.95，效率可達(dá)0.98，系統(tǒng)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(jié)能效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
原系統(tǒng)運行時為維持水壓的基本恒定，除需要不斷反復(fù)投切泵組外，還需利用回流閥進(jìn)行小范圍調(diào)節(jié)，水泵的投切除對電網(wǎng)有沖擊外還需消耗電能，回流閥調(diào)節(jié)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(jù)生產(chǎn)所需的水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持管網(wǎng)壓力的恒定，變頻泵組調(diào)節(jié)即時范圍寬，泵組投切次數(shù)大大減少，系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，平均下來整個系統(tǒng)的節(jié)電率在30%左右，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
5 減輕值班人員的工作強(qiáng)度
原系統(tǒng)經(jīng)過改造后，管網(wǎng)水壓自動檢測控制，回流閥無需調(diào)節(jié)，泵組投切有聲光告警指示，值班人員不會擔(dān)心因沒有及時地投切補(bǔ)給泵組、開啟回流閥而導(dǎo)致的水壓過低或過高影響生產(chǎn)事故3002
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