石油大学(华东) 机电工程学院

王玉彬
摘　　要:本文从变频调速的原理出发，介绍了炼油厂中应用变频调速技术节能的基本原理，并通过实例对其节能效果做出了分析。
关 键 词:变频调速 节能 炼油厂
Abstract:Based on the basic principle of frequency variable adjusting speed, the principle of energy saving was introduced in this paper. At the same time, the practical energy savingeffect was analyzed via example.
Keywords:Frequency variable adjusting speed Energy saving
Petroleum refinery
1 引言
由于电力电子技术，微电子技术和信息技术的迅速发展，出现了对交流电机来说是最好的变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代了其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。交流电机调速主要有两个目的，其一是为了满足生产工艺的要求，其二是为了达到节能降耗的目的。目前，由于我国的特殊国情，存在大量的炼油厂，尤其是各大油田的周边地区数量更多。以胜利油田为例，地方、油田和高校所拥有的原油加工企业达到8家。炼油企业生产过程中，流量、液面、压力等参数随工况的改变而改变,传统上采用控制阀门或挡板开度的方法来改变，即人为地增减阻力来实现，电力损耗非常大，泵和风机一般是由交流电机拖动，采用控制阀等控制流量，节流损失能量大，若机泵采用变频调速，则节能效益十分可观。
2 变频调速的基本原理
交流异步电动机的转速公式为:
n=60f(1-S)/P
S—转差率; P—电动机极对数;f—供给电机定子绕组的电源频率。由上式可以看出, 有三条途径可以调节异步电动机的转速。一是改变极对数P，其实质是改变定子旋转磁场的转速，但它只能是有限的几挡速度，不能实现无级调速，只能适用于调速要求不高且不需平滑调速的场合;二是改变转差率S，它是通过在转子回路中串电阻实现的，但此时人为地将特性变软，低速时静差度大，调速范围不广，而且低速时转子铜耗很大，效率低而发热严重，它仍然是有级调速，而且它只能用于绕线式异步电机调速; 三是改变定子电源频率f, 由于电源频率f与转速n成正比，变频调速就是通过改变电源频率来改变电机的转速，即通过改变定子供电频率来改变转速，从而可实现电机的调速。变频调速具有高效率、机械特性硬调速范围广、高精度等特点,可以适应不同负载特性的要求，是运用最广最有发展前途的调速方式。图1为变频调速时电动机的机械特性曲线。
图1 基频以下调速时的机械特性曲线

由图1可知，不同时, 在相同转矩时的速度降变化很小，所以工作区的机械特性曲线大致是平行的，保持了较硬的机械特性; 随着的下降，临界转矩逐渐减小，电动机的带负载能力也随之下降。
3 变频调速技术节能原理
风机水泵的节能原理是用调节电动机的转速来代替挡风板或节流阀控制风流量以达到节能的目的。今以水泵为例,
对其节电原理作出详细介绍, 机泵的特性曲线如图2所示。

图2 基频以下调速时的机械特性曲线
设水泵流量由减小为，若采用关小阀门来实现，管阻特性将变为曲线③，而扬程特性仍为曲线①，故工作点由A移至B。此时，流量减小，扬程从增加为，轴功率与面积OEBF成正比。
若保持阀门开度不变，通过改变水泵的转速来调节流量，则当水泵的转速改变时，扬程特性随之变化，管阻特性不变。当转速下降时，扬程特性曲线下降为曲线④，管阻特性曲线仍为曲线②，工作点移至C，轴功率与面积OECH成正比。节省的功率耗损ΔP与面积HCBF成正比，可见节电效果十分显著。
从流体力学的观点来看，流量正比于转速，轴功率与转速的立方成正比。若转速下降20%，则功率下降到51.2%， 若转速下降50%，则轴功率下降到12.5%， 即使考虑调速装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的。
另外，当采用变频调速技术以后，电动机的工作效率得到了提高，同时水泵的工作效率也处于最佳状态。
4 实例及节能效果分析
某炼厂生产供水水源有三台10sh-6型离心泵，配用JS115-4,135kW电机，改造前系统压力和流量通过改变泵的出口阀开度进行控制，能量损失很大。为达到节能降耗的目的，进行设备改造，采用富士公司生产的FRENC500G7/P7电压型变频器。其节电效果比较显著，电机工作电流由220A下降到180～110A。在保证系统压力不变的情况下，电机负荷随着泵的负荷上下波动，电流下降了20%～50%，平均节电在30%～50%。
4.1 直接经济效益
其直接经济效益是节约电费，一台135kW电机，一年按运行350天工作计算，根据公式P＝UI，有下式＝×335×180＝104.44kVA节约有功功率:ΔP＝(-)×cosφ＝37.54kW节约电能:W＝ΔP×ｔ＝37.54×24×350=315336kW?h若1kW?h电按0.5元计算，则每台电机每年可以节约电费15.77万元，其节能效果是相当显著的。
4.2 间接经济效益
当电动机在全压启动时，从静止状态加速到额定状态，所需时间很短，而水的流量从零猛增到额定流量，则会产生水锤效应，原因是动态转矩很大。水锤效应具有极大的破坏性，它会引起管子的破裂或瘪塌，还可能损坏阀门和其他固定部件。
采用变频调速后，则可以使动态转矩大大减小，消除水锤效应，而且可以延长水泵的工作寿命，减少维修次数，减轻工人的劳动强度。同时可以减小电动机启动时对电网的冲击，改善电网的功率因数。
5 结束语
炼油厂中风机、水泵等大功率辅机采用变频调速技术不仅使调速性能优越，而且节能效果十分显著。变频调速装置可以减小起动电流,降低噪音,减少电仪修操作工的劳动量。因此，随着变频器制造技术、应用技术的不断成熟,单位功率的价格不断下降,变频调速技术的推广，变频调速装置在炼油厂中将具有更为广阔的应用前景。
参考文献