變頻調(diào)速技術(shù)是基于交一直一交電源變換技術(shù).它是集電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的速技術(shù)因其顯著的節(jié)電效益、較高的調(diào)速精度、較寬的調(diào)速范圍、完善的保護(hù)功能、易綜合性電氣產(chǎn)品。變頻調(diào)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、運(yùn)行安全可靠、安裝使用維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，成為世界上公認(rèn)的節(jié)電新技術(shù)之一。坪橋集中處理站是坪橋一東營(yíng)輸油管線的首站，坪營(yíng)輸油管線建于1996年，總長(zhǎng)度為33.4 km，管徑為4159x6 mm。日均輸送原油l 200 m3。首站外輸原油。夏季采取不加熱輸送，出站油溫為39℃左右，泵出口壓力為4.5～5.0 Mpa;冬季采取換熱器加熱輸送方式。出站油溫為55℃左右，泵出El壓力為5.0～5.8 Mpa。目前配備的兩臺(tái)外輸泵，型號(hào)為5DY一71/5，2001年投入使用，其中l(wèi)#泵可進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。
1機(jī)泵變頻原理
交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：
n=60f(1-s)/p (1)
式(1)中，n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，為電源的頻率，s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，P為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。
由上式可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率.廠成正比，只要改變頻率廠即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率.廠在O～50 Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬11.-21。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，變頻器是把工頻電源變換成某種頻率的交流電源以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速設(shè)備。
變頻器主要由控制電路、整流電路、直流中間電路、逆變電路等相應(yīng)電路組成。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制.整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō)。有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。
2變頻裝置節(jié)能原理
2.1變頻節(jié)能
有流體力學(xué)知識(shí)可知：
P=-QH (2)
式(2)中，P為功率，Q為流量，H為壓力。
Q∝N，H∝N2 (3)
P∝N3 (4)
由式(4)可知，泵的功率與轉(zhuǎn)速N3成正比，如果泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N如果成比例地下降。此時(shí)軸輸出功率P就會(huì)成立方關(guān)系下降，即泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方關(guān)系的下降131。理論上對(duì)于一臺(tái)160 kW的電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其理論功率為82.0 kW，省電48.8%。
2.2功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能
有公式
H=Sxcos∮ Q=Sxsin∮ (5)
式(5)中，H為有功功率，Q為無(wú)功功率，s為視在功率，cos∮偽功率因數(shù)。
無(wú)功功率不僅增加線損和設(shè)備的發(fā)熱。更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致有功功率的降低。大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重。由公式(5)可知，功率因數(shù)cos∮越大，有功功率日越大，對(duì)于普通異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)在0.6—0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，cos∮=1.0。從而減少無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。
2.3軟啟動(dòng)節(jié)能
由于普通電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/D啟動(dòng)。起動(dòng)電流為4—7倍額定電流。這樣會(huì)給機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對(duì)泵體和閥門的損害極大.對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。采用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)的加速相應(yīng)提高頻率和電壓，起動(dòng)電流被限制在150%額定電流以下(根據(jù)機(jī)種不同.為125%～200%)，傳動(dòng)可以平滑地起動(dòng)(起動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng))。起動(dòng)電流為額定電流的1.2一1.5倍。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%一120%額定轉(zhuǎn)矩;對(duì)于帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載起動(dòng)，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用15-61。
2.4減小局部水頭損失節(jié)能
一般使用泵的額定流量和揚(yáng)程.通常都超過實(shí)際需要的流量和揚(yáng)程，又因?yàn)楣に囈笮枰谶\(yùn)行中流量。目前，采用閥門來(lái)調(diào)節(jié)流量的調(diào)節(jié)方式較為普遍，雖然方法簡(jiǎn)單，但實(shí)際上是通過人為增加局部阻力的辦法達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。這種節(jié)流調(diào)節(jié)方法浪費(fèi)大量電能.而且使泵本身在低效率點(diǎn)工作.回收這部分電能損耗會(huì)收到很大的節(jié)能效果。
3引進(jìn)變頻裝置的必要性
3.1機(jī)泵運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)
為完成全年39萬(wàn)噸原油外輸任務(wù).坪橋首站外輸泵年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約為8 400 h，因此泵效每提高1%，年節(jié)約電量約為1.344萬(wàn)愿，節(jié)能效益相當(dāng)可觀。因受沿河灣一陽(yáng)山輸油管線的限制。坪橋一東營(yíng)輸油有時(shí)采取"泵一泵"輸油流程，有時(shí)采取"泵一罐一泵"輸油流程，同時(shí)考慮到坪橋一東營(yíng)管線的承壓能力及譚家營(yíng)一東營(yíng)輸油管線的影響，坪橋首站外輸壓力波動(dòng)范圍為3.1—6.0 MPa。排量波動(dòng)范圍為45娟7 m3/h，首站兩臺(tái)柱塞式外輸泵型號(hào)為5DY-71，5，理論排量為71 m3，額定工作壓力為5.0 MPa。流量的變化幅度為5.6%一36.6%，此時(shí)，若不采取變頻調(diào)速原理進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了滿足外輸排量和管壓的要求主要通過回流閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣就因節(jié)流原因造成能量耗浪費(fèi)。
3.3理論計(jì)算節(jié)電量
通過理論計(jì)算節(jié)電量來(lái)論證選擇安裝變頻器的機(jī)泵是否經(jīng)濟(jì)。對(duì)計(jì)劃安裝變頻器的機(jī)泵進(jìn)行多種處理量時(shí)的理論節(jié)電量的計(jì)算(考慮泵共振頻率除外)。經(jīng)過計(jì)算得到機(jī)泵運(yùn)行效率最大處理量時(shí)的節(jié)電率為：l#外輸泵在外輸量在1 500 m3/d時(shí)節(jié)電率可達(dá)23.7%，機(jī)泵效率提高10%左右，說(shuō)明在該機(jī)泵上使用變頻調(diào)速器是可行的。
4效益分析
4.1運(yùn)行參數(shù)
為評(píng)價(jià)變頻裝置的經(jīng)濟(jì)效益，綜合分析兩臺(tái)泵由07年8月到08年5月的運(yùn)行參數(shù)。分別計(jì)算出各自平均排量和壓力下的機(jī)泵效率.機(jī)泵效率計(jì)算結(jié)果如表l所示。
表機(jī)泵效率計(jì)算結(jié)果
Tab.1 Computational results of pump efficiency
由表1可見，兩臺(tái)同型號(hào)的泵，在工作環(huán)境相同的情況下增加變頻裝置后，電機(jī)輸入功率減小25.08 kW，泵效提高了9.9%。節(jié)能效果明顯。
4.2節(jié)能效果評(píng)價(jià)
目前坪橋集中處理站日平均外輸原油為l 200 m3左右。如果只使用l#變頻泵，流量為53.5 m3/h，日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間22.4 h，一年按360天計(jì)算，則年耗電量為。22.4x58.075x360---46.83x104 kW·h如果只使用2#變頻泵，流量為55.3 m3/h，日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為21.7 h.一年按360天計(jì)算.則年耗電量為：21.7x83.155x360=-64.96x104 kW·h兩者相比較，一年完成相同輸出量，電費(fèi)按工業(yè)用電0.45元，kW計(jì)算，可節(jié)約成本：(64.96x104-46.83x104】>cO.45=8.15x104元通過比較可以發(fā)現(xiàn)如果全部采用變頻裝置，一年可節(jié)省費(fèi)用8.15xlo.元。目前改變頻裝置只要稍加改造即可控制兩臺(tái)外輸泵中任意一臺(tái)。
另外，該站還有兩臺(tái)型號(hào)為5ZB一12/42的供水泵，其中l(wèi)#泵泵效為28.17%，2#泵泵效為28.88%。日平均供水量850 m3，泵出口壓力4.5 MPa。若增加變頻裝置把泵效提高到45%，則年節(jié)約電量18.13x104 kW·h。節(jié)約成本8.15x104元，而一套變頻裝置的費(fèi)用大約為5萬(wàn)元，投用當(dāng)年即節(jié)約成本3.15萬(wàn)元。
5結(jié)論
本文結(jié)合水力學(xué)基本知識(shí)、變頻節(jié)能原理，首先對(duì)兩臺(tái)外輸泵進(jìn)行參數(shù)采集.然后進(jìn)行效率分析.通過兩臺(tái)同型號(hào)、同步投用的柱塞泵的實(shí)際運(yùn)行工況比較得出以下結(jié)論：
1)l撐外輸泵增加變頻裝置后效率較2薦泵提高了9.9%，泵體噪音減小很多，維修保養(yǎng)次數(shù)減少。但其實(shí)際排量和壓力均小于設(shè)計(jì)值，泵效遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)平均輸油泵效64.9%.可根據(jù)管壓適當(dāng)調(diào)整頻率，使泵在接近額定工況下工作提高泵效。
2)2#外輸泵柱塞泵運(yùn)行效率較低，運(yùn)行效率只有28.1l%。實(shí)際排量效于設(shè)計(jì)排量，目前靠回流和出口閥門控制排量，增加變頻裝置來(lái)調(diào)節(jié)流量節(jié)能效果明顯。
3)兩臺(tái)供水柱塞泵平均泵效只有28.53%，低于國(guó)內(nèi)柱塞臺(tái)外輸泵中任意一臺(tái)。式注水泵平均泵效72.1%，目前其在額定排量和壓力下工作，但泵體噪音較大，啟動(dòng)負(fù)荷大，可增加變頻裝置改善其工作性能提高工作效率。
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