高压电机节能改造

孟金甫，李晓宁，张文敬，孙全成

（河南神马氯碱发展有限责任公司，河南 平顶山 467242）

高压电机节能改造

孟金甫，李晓宁，张文敬，孙全成

（河南神马氯碱发展有限责任公司，河南 平顶山 467242）

对30万t/a PVC工程中PVC循环水泵、一次风机、引风机的现状和节能措施进行了分析，总结出3台高压电机变频器节能改造的必要性，节电优化效果分析，提出了变频改造的技术方案。

高压变频节能；运行现状；效果分析；方案

1 PVC循环水泵、一次风机、引风机等高压电机运行现状

1.1 PVC循环水泵

河南神马氯碱发展有限责任公司PVC区主要热量来源是聚合釜，冷却水系统主要是10 kV循环水泵（3台900 kW和2台400 kW高压电机），根据工艺要求，运行循环水压力不能低于0.5 MPa。正常情况下有3台循环水泵运行 （2台900 kW和1台400 kW），当聚合釜产生的热量少时，循环水压力超过0.62 MPa时，停1台高压泵，有可能压力不会满足要求，必须靠调节回流阀来调节压力。靠调节回流阀来调节压力，就会形成高压泵开的台数少时压力不够，高压循环水泵开的台数多时造成大量电能的浪费。依靠人工调整进出阀门的开度，阀门线性差，调节延迟，会造成出水压力和流量变化大、不稳定等现象，给生产系统安全及工艺控制造成较大压力。水压高时，经常损坏密封垫，漏水造成水资源浪费，且维修工作量大，物料消耗多，备品备件计划不易掌握，增加生产成本。

1.2 一次风机和引风机

此2台风机为2009年12月投运，投运以来多次出现电机过负荷，多次检查认为原因为现场风门开度太大，现场的挡板风门调节精确度太低，加之工艺条件时刻变化，操作人员也很难控制到良好状态，调节过程不平滑、不灵活、不可靠，同时，调节延迟，不能及时满足工艺变化要求。风门调节的过大，虽然

满足了工艺的要求，安全上却带来了较大的隐患，长时间造成电机过负荷，电机过热，甚至电机绝缘击穿冲击电网，加上设备的能耗浪费较大，迫切需要变频改造。

2 变频改造效果分析

通常设备是根据生产中可能出现的最大负荷条件，即最大流量进行选择的。而实际生产需要的流量往往比设计的最大流量要小，为此常常通过调节风门的方式来控制，结果在风门上造成很大的节流损耗。当采用电机调速时，可以按需要升降电机转速，改变风机的性能曲线，使风机的参数满足工艺要求。根据风机的相似定律，变速前后风量、风压、功率与转速之间的关系为：

Q1/Q2=N1/N2；

H1/H2=（N1/N2）2；

P1/P2=（N1/N2）3。

Q1、H1、P1—风机在N1转速时的风量、风压、功率；

Q2、H2、P2—风机在 N2转速时相似工况下的风量、风压、功率。

假如转速降低一半，即：N2/N1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由N1降为N2时，风机的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线看，Q2与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，风机仍能在同样甚至更高的效率下工作，风机和泵类设备不同变量方式的功耗对比表见表1。

表1 风机和泵类设备不同变量方式的功耗对比表

由以上数据统计的结果，结合目前调速技术的发展情况，在满足工艺生产要求的条件下，调速设备改造方案在比较了设备投资费用、节电效果，安全性及可靠性等其他方面后，可以通过变频调节来自动满足工艺要求，并降低损耗。

3 变频节能改造的效果分析

3.1 直接经济效益

3.1.1 PVC循环水泵（900 kW）

（1）水泵铭牌参数

流量：4 200 m3/H；扬程：56 m；轴功率：772 kW。

（2）电机铭牌参数

额定电流：67.5 A；转速：745 RMP；额定电压：10 kV。

运行状况：电机实际电流52 A，管道出口压力5.3~5.8 kg。

（3）变频节能计算

目前电机实际消耗功率：1.732×10 kV×52 A× 0.88=792.5（kW）；

变频后恒定供水压力为5.5 kg左右，根据公式变频后实际消耗功率：（5.5/5.8）1.5×792.5 kW/0.98= 746（kW）；

每小时节电：792.5 kW-746 kW=46.5（kW·h）；

每年节电：46.5×7 920 h=36.8万（kW·h）。

（4）改造方法

PVC区循环水出口总管上加装压力变送器，压力变送器送给变频器4~20 mA模拟信号，代表管道压力，再与变频器上设定压力进行比较，变频器实施恒压控制，风机各调节方式的能耗流量曲线见图1。

图1 风机各调节方式的能耗-流量曲线

3.1.2 引风机（560 kW）

电机铭牌参数：额定电流43.8 A；PF 0.86额定电压10 kV。

风机的额定消耗功率为：560kW×0.8=448kW。

由于风门开度平均为60%，电机实际电流28 A，故实际流量约为额定流量的80%，从图1查出变频调速时消耗的额定功率为54%，而叶片调节消耗额定功率的75%，因此变频调节可以节约21%的额定消耗功率。也即是说变频时每小时节约448×21%= 94（kW），全年按运行7 920 h，年节省电度为：94× 7 920=74.4（万kW·h）。

3.1.3 一次风机（250 kW）

离心风机铭牌参数为：

流量：47 000 m3/h；压力：12 000 Pa。

电机铭牌参数：

额定电流：19.5 A；PF：0.85；额定电压：10 kV。

通过公式P=H（KP）×Q（m3/h）/3 600/0.8=12× 47 000/3 600/0.8计算风机的实际轴功率为195.8（kW），而风机的额定消耗功率为：P额=P轴/η电机。而η电机=P电机/（1.732×I额×U额×0.85）=0.87，所以P额= 225（kW）。

阀门开度平均为55%，电机实际电流15 A，故实际流量约为额定流量的70%，从上图查出变频调速时消耗的额定功率为36%，而叶片调节消耗额定功率的63%，因此变频调节可以节约27%的额定消耗功率。也即是说变频时每小时节约225×27%= 60（kW），全年按运行7 920 h，年节省电度为：60× 7 920=47.5（万kW·h）。

4 变频改造的技术方案

4.1 循环水泵高压变频改造方案

为了充分保证系统的可靠性，变频器同时加装手动隔离刀闸装置，保证主回路上有明显的断开点。变频器异常时，变频器不能正常运行，电机可以切换到工频运行状态下运行，以保证生产的需要；其一次回路图和电缆接线分别见图2和图3。

图2 循环水泵一次回路图

图3 水泵变频改造外部电缆接线示意图

说明：

a.QF1、QF2、QF3为断路器，分别为变频器、电机1和电机2供电；

b.K1、K2为真空接触器，用于自动切换；

c.QS1、QS2为隔离开关，用于安全隔离；

d.K1、K2互锁，QF1、K1互锁，QF3、K2互锁；

e.电机甲变频运行、电机乙备用时的开关状态：QF2、QS1、K1、QF3闭合，QF1、QS2、K2断开。电机甲变

频故障：K1断开，QF1自动合闸，电机甲工频运行。

4.2 风机变频改造技术方案

为了充分保证系统的可靠性，变频器同时加装工频旁路装置。变频器异常时，变频器不能正常运行，电机可以自动切换到工频运行状态下运行，以保证生产的需要，其一次回路图和电缆接线分别见图4和图5。

图4 风机一次回路图

图5 风机变频改造外部电缆接线示意图

说明：设备内安装3个真空接触器（KM1、KM2、KM3）和2个刀闸隔离开关QS1、QS2；

a.KM2与KM3实现电气互锁，当KM1、KM2和QS1、QS2闭合，KM3断开时，电机变频运行；

b.当KM1、KM2断开，KM3闭合时，电机工频运行。另外，KM1闭合时，QS1操作手柄被锁死，不能操作；

c.KM2闭合时，QS2操作手柄被锁死，不能操作；

d.电机工频运行时，若需对变频器进行故障处理或维护，切记在KM1、KM2分闸状态下，将隔离刀闸QS1和QS2断开。

4.3 二次回路控制方式

变频器采用2种操作控制方式。

（1）本地控制：从变频器操作界面控制电机的启动和停机，并能完成变频器的所有控制；

（2）远程控制（现场操作柱）：通过内置接口板接受来自现场的开关量控制。

4.4 速度设置方式（或闭环运行时的给定方式）

变频器有多种速度设置方式，在闭环运行时，速度设置方式即为被控量的给定方式。

（1）本地设置：通过操作屏设置运行频率；

（2）模拟设置：接收4~20 mA模拟信号设置运行频率或被控量给定值；

（3）通讯设置：通过通讯方式接收来自控制系给定运行频率或被控量给定值；

（4）多档设置：通过开关量设置多档运行速度或被控量给定值；

（5）闭环调节：由PID自动设置运行频率。

风机调速采用DCS远控，即根据生产需要，DCS输出4~20 mA调速信号至变频器，变频器接收到DCS 4~20 mA信号进行实时调节；循环水泵调速采用PID闭环频率调节完成，根据管道压力反馈和压力的设定值进行实时调节。

5 结语

通过对高压电机的变频器改造，解决了该公司PVC区冷却水系统压力不稳问题、解决风机投运以来多次出现电机过负荷问题，对系统进行了优化，节约电能明显，同时改善了电机的启动性能，减少电网冲击，电机采用变频器静态启动，运行人员通过缓慢提升转速至工作范围，最大起动电流约为0.8倍，避开了电机4~7倍的启动电流，转速、力矩平稳上升，减少对电网冲击，减少机械震动，噪音和磨损，提高了运行的可靠性，延长了机械寿命，变频调速时，升降转速平稳，惯性噪音降到最低。

Energy saving reformation of high voltage motor

MENG Jin-fu，LI Xiao-ning，ZHANG Wen-jing，SUN Quan-cheng
（Henan Shenma chlor alkali development Co.，Ltd.，Pingdingshan 467242，China）

The present situation and the energy saving measures of 300kt/a PVC circulating water pump，blower，induced draft fan were analyzed，the energy-saving reformation necessity of 3 hp motor inverter were summarized，the optimization effect analysis of energy saving were analyzed and the technical scheme of high frequency conversion transformation were put forward.

high voltage frequency conversion and energy saving；operation status；effect analysis；scheme

TQ051.21

B

1009－1785(2015)06-0040-04

2014-09-02