石油大學(華東) 機電工程學院

王玉彬
摘　　要:本文從變頻調速的原理出發，介紹了煉油廠中應用變頻調速技術節能的基本原理，并通過實例對其節能效果做出了分析。
關 鍵 詞:變頻調速 節能 煉油廠
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
由于電力電子技術，微電子技術和信息技術的迅速發展，出現了對交流電機來說是最好的變頻調速技術，它一出現就以其優異的性能逐步取代了其它交流電機調速方式，乃至直流電機調速，而成為電氣傳動的中樞。交流電機調速主要有兩個目的，其一是為了滿足生產工藝的要求，其二是為了達到節能降耗的目的。目前，由于我國的特殊國情，存在大量的煉油廠，尤其是各大油田的周邊地區數量更多。以勝利油田為例，地方、油田和高校所擁有的原油加工企業達到8家。煉油企業生產過程中，流量、液面、壓力等參數隨工況的改變而改變,傳統上采用控制閥門或擋板開度的方法來改變，即人為地增減阻力來實現，電力損耗非常大，泵和風機一般是由交流電機拖動，采用控制閥等控制流量，節流損失能量大，若機泵采用變頻調速，則節能效益十分可觀。
2 變頻調速的基本原理
交流異步電動機的轉速公式為:
n=60f(1-S)/P
S—轉差率; P—電動機極對數;f—供給電機定子繞組的電源頻率。由上式可以看出, 有三條途徑可以調節異步電動機的轉速。一是改變極對數P，其實質是改變定子旋轉磁場的轉速，但它只能是有限的幾擋速度，不能實現無級調速，只能適用于調速要求不高且不需平滑調速的場合;二是改變轉差率S，它是通過在轉子回路中串電阻實現的，但此時人為地將特性變軟，低速時靜差度大，調速范圍不廣，而且低速時轉子銅耗很大，效率低而發熱嚴重，它仍然是有級調速，而且它只能用于繞線式異步電機調速; 三是改變定子電源頻率f, 由于電源頻率f與轉速n成正比，變頻調速就是通過改變電源頻率來改變電機的轉速，即通過改變定子供電頻率來改變轉速，從而可實現電機的調速。變頻調速具有高效率、機械特性硬調速范圍廣、高精度等特點,可以適應不同負載特性的要求，是運用最廣最有發展前途的調速方式。圖1為變頻調速時電動機的機械特性曲線。
圖1 基頻以下調速時的機械特性曲線

由圖1可知，不同時, 在相同轉矩時的速度降變化很小，所以工作區的機械特性曲線大致是平行的，保持了較硬的機械特性; 隨著的下降，臨界轉矩逐漸減小，電動機的帶負載能力也隨之下降。
3 變頻調速技術節能原理
風機水泵的節能原理是用調節電動機的轉速來代替擋風板或節流閥控制風流量以達到節能的目的。今以水泵為例,
對其節電原理作出詳細介紹, 機泵的特性曲線如圖2所示。

圖2 基頻以下調速時的機械特性曲線
設水泵流量由減小為，若采用關小閥門來實現，管阻特性將變為曲線③，而揚程特性仍為曲線①，故工作點由A移至B。此時，流量減小，揚程從增加為，軸功率與面積OEBF成正比。
若保持閥門開度不變，通過改變水泵的轉速來調節流量，則當水泵的轉速改變時，揚程特性隨之變化，管阻特性不變。當轉速下降時，揚程特性曲線下降為曲線④，管阻特性曲線仍為曲線②，工作點移至C，軸功率與面積OECH成正比。節省的功率耗損ΔP與面積HCBF成正比，可見節電效果十分顯著。
從流體力學的觀點來看，流量正比于轉速，軸功率與轉速的立方成正比。若轉速下降20%，則功率下降到51.2%， 若轉速下降50%，則軸功率下降到12.5%， 即使考慮調速裝置本身的損耗等因素，節電也是相當可觀的。
另外，當采用變頻調速技術以后，電動機的工作效率得到了提高，同時水泵的工作效率也處于最佳狀態。
4 實例及節能效果分析
某煉廠生產供水水源有三臺10sh-6型離心泵，配用JS115-4,135kW電機，改造前系統壓力和流量通過改變泵的出口閥開度進行控制，能量損失很大。為達到節能降耗的目的，進行設備改造，采用富士公司生產的FRENC500G7/P7電壓型變頻器。其節電效果比較顯著，電機工作電流由220A下降到180～110A。在保證系統壓力不變的情況下，電機負荷隨著泵的負荷上下波動，電流下降了20%～50%，平均節電在30%～50%。
4.1 直接經濟效益
其直接經濟效益是節約電費，一臺135kW電機，一年按運行350天工作計算，根據公式P＝UI，有下式＝×335×180＝104.44kVA節約有功功率:ΔP＝(-)×cosφ＝37.54kW節約電能:W＝ΔP×ｔ＝37.54×24×350=315336kW?h若1kW?h電按0.5元計算，則每臺電機每年可以節約電費15.77萬元，其節能效果是相當顯著的。
4.2 間接經濟效益
當電動機在全壓啟動時，從靜止狀態加速到額定狀態，所需時間很短，而水的流量從零猛增到額定流量，則會產生水錘效應，原因是動態轉矩很大。水錘效應具有極大的破壞性，它會引起管子的破裂或癟塌，還可能損壞閥門和其他固定部件。
采用變頻調速后，則可以使動態轉矩大大減小，消除水錘效應，而且可以延長水泵的工作壽命，減少維修次數，減輕工人的勞動強度。同時可以減小電動機啟動時對電網的沖擊，改善電網的功率因數。
5 結束語
煉油廠中風機、水泵等大功率輔機采用變頻調速技術不僅使調速性能優越，而且節能效果十分顯著。變頻調速裝置可以減小起動電流,降低噪音,減少電儀修操作工的勞動量。因此，隨著變頻器制造技術、應用技術的不斷成熟,單位功率的價格不斷下降,變頻調速技術的推廣，變頻調速裝置在煉油廠中將具有更為廣闊的應用前景。
參考文獻