调速技术与设备节能改造

调速技术与设备节能改造赵维印(中国机械工程学会设备与维修工程分会,北京100192)摘要:设备实行调速运转带来的节能与安全效果,5种常用调速技术与装置的主要结构和工作原理,同时以实例说明调速技术在不同企业设备改造中的效益关键词:设备配置;设备改造;调速装置DO:10.1662 1/j- cnki. issn1001-0599.201601.50中图分类号:TB493文献标识码:B0引言容量约为45亿千瓦,其中风机和水泵的电机容量约为15亿千在很多行业的企业中,许多设备和装置在运行中都伴有负荷瓦耗电量约占全国电力总消耗的30%40%。不合理的设计、配变化或加工工艺要求对其工作速度适时进行调整。例如大量应用置和运行,致使风机、水泵运行效率只有30%-50%。于化工冶金和电力行业的风机与水泵,运行时要根据生产流程随在设备工作时采用变速运行的第二个目的是实现电机的时调整供给量。落后的运行方式是风机或水泵在生产过程中始终“软启动”。设备启动时所有运动零部件处于静止状态,若使之恒速运转,脱离需求的恒定供应,造成多余的风量或水量排空放迅速达到额定运转速度就要克服较大的静态惯量。因此,设备掉即便采用挡板或阀门进行管路截留电机的电耗仍在持续造启动时电机的启动电流值要超过正常运转时电流值的3倍以成很大的能源浪费。再例如机械加工行业的一些金属加工机床,上。这股电流是无功损耗,尤其是在频繁开停的设备上,会造成作特点是切削行程中需要低速高负荷运转空行程需要高速、很大浪费。同时瞬间巨大的启动电流还会冲击电网引起过流低负荷运转。为适应生产中的性能需求减少不必要的消耗,企业而掉闸。功率较大的设备启动从静止达到额定转速,一定要采应针对不同类型的设备或装置,选用不同的技术手段进行选型配取逐渐从低速到高速的“软启动”方式,这就需要变速技术与装置或技术改造变恒速运转为变速运转达到节能的目的。置,以保护电网的输配电安全。据国家有关部门的统计:全国工业和民用各类电机总装机总之,采用调速装置改造现有的设备,不止是为满足生产工厂1、2*汽轮发电机均处于运行状态,进汽量均为563h,抽汽量低压给水母管为21h,进入热电厂减温减压器的蒸汽量为1469th。夏季锅炉中压蒸汽母管高压给水母管负荷较小,热电厂1·2"汽轮发电机抽汽量较小,在工业抽气稳定这口进气总门进口门情况下,不需要减温减压器运行,所以不存在减温减压节流损失。出口门冬季各装置需要保温和居民供暖,低压蒸汽需求量较大。给水泵2008年12月运行了1°,2,3°3台锅炉,热电厂1·汽轮发电机进汽量为1038th,抽汽量为438th,2"汽轮发电机处于关闭背压汽轮p低压蒸汽母管状态,进入热电厂减温减压器的蒸汽量为992Uh。冬季经过热排气电动电厂减温减压器的蒸汽量达992th,存在较大减温减压节流损失,因此,可对这部分蒸汽加以利用。减湿减压电2应用方案汽轮发电机21汽动给水泵系统布置图1汽动给水泵流程图根据热电厂低压蒸汽负荷分析结果和新建汽动给水泵基本要求及热力系统设计要求,结合实际情况,热电厂新建汽动22背压汽动给水泵参数选择给水泵组选择1台单级背压式汽轮机给水泵,采用中压蒸汽221背压式汽轮机主要参数驱动,排气并人低压蒸汽系统,给水并人高压给水母管供给锅型号B051-3613,单级背压式,设计及最大功率510kW,连炉和公司;中压蒸汽经主蒸汽电动门、汽轮机速关主气门至汽续运行调速范围2213-3098mmin,额定转速2980dmin,最小连续轮机调节阀进入汽缸,经喷嘴组冲动叶轮做功后排入背压蒸转速2213咖min,最大连续转速3098mmin,跳闸转速3220汽管网,在背压管网前联动有手动、电动放空阀及弹簧安全3280min,蒸汽压力36MPa,蒸汽温度435℃,排气压力13MPa阀,在机组背压过高时可将被压蒸汽自动排入大气,以确保机222汽动组安全,流程见图1。型号YHa中国煤化工量230th,额定转速CNMH设理与维督2016№1节与环缲艺的要求和达到节电的目的,还能起到保障安全用电的作用。运转仍有其优势,性价比也较高1常用的设备调速方式12串级调速技术1.1液力耦合调速装置串级调速技术最早出现在20世纪30年代,但因调速性能在工业发展较早的国家,液力耦合器的应用有80年以上的不稳定应用较少。至20世纪70年代,晶体管电路被引入串级调历史,它具有的传动与变速的两项基本功能,至今并没有随着工速系统使其在化工、建材、煤炭和纺织等行业得到广泛推广。业技术进步而失去作为设备调速装置的使用价值。12.1工作原理11.1结构组成与工作原理串级调速技术的基本原理是在电机转子回路中串人附加反液力耦合调速装置主要由4部分组成即机壳、与输入动力相电动势,通过控制电动势的强弱改变转子电流强度,进而改变主动轴联接的泵轮、与输出动力从动轴联接的涡轮和传递动力电磁转矩和转速,实现电机调速控制。的液压油。工作时,电机驱动主动轴旋转,泵轮叶片搅动液压油,1.2.2性能特点与应用在离心力的作用下,液压油被甩向机壳外缘,冲动涡轮叶片联动串级调速技术具有两个突出的优势。其一,以控制转子低电从动轴转动并驱动机器工作。通过调整涡轮工作腔中液压油的压回路来控制高电压电机;其二,以变流小的转差功率控制大功充满度调节从动轴转速与扭矩,转速与充满度成正比。率电机。上述特性,是大多数风机和泵类所需要的,尤其适用于1.1.2性能特点与应用以低同步转速进行调速的高电压、大容量电机。根据各企业多年实际应用情况,总结归纳液力耦合调速装早期的串级调速系统受技术水平的限制,使用中存在调速置的工作特点:①传动功率可以达到20MW以上,适合大型风范围窄、调速精度低等缺陷。再有绕线式转子回路需要通过滑环机、水泵的驱动;②非刚性传动,在特殊情况下可以对传动部件和炭刷与外部控制系统联接,这个环节容易引发故障造成停机,起到过载保护作用;③调速范围从静止到额定最高转速。可以实需要经常进行检查与维护现空载“软启动”,有利于电网安全与节电;④耦合器中除轴承近年来,随着电力电子技术和数字控制技术的发展进步,串外,无机械磨损零件。装置能长期稳定工作,故障率低,同时具有级调速技术得以提高,上述缺陷也得到解决。制造滑环、炭刷材隔离振动的传动效果;⑤液压油储存和过滤需要有附属设施并料的耐磨性与可靠性随着材料科学的突破均得到提升,大大减占用一定空间;⑥为了防止共振装置的涡轮叶片数比泵轮叶片少维护工作量。同时,串级调速系统与其他调速系统相比,在购数目少1-4片。工作时泵轮转速大于涡轮转速,产生滑差,造成价、节电、谐波以及对运行环境要求等方面均具有一定优势,在能量损失。同时,由于装置的效率与调速比成正比,调速转差功火力发电行业得到推广应用。率损耗在转差比2:3处最为明显。13开关磁阻电机调速系统随着科技进步,设备运转调速方式逐渐增多,液力耦合装置磁阻式电机诞生于19世纪中期。使用初期因效率与功率因应用相应减少但对于大功率高压电机驱动的风机、水泵的调速数较低,仅在少数场合使用。20世纪70年代,美国福特电机公2980r/min,进口压力03MPa,进口温度105℃,有效汽蚀余量的要求,只需改变汽动给水泵的转速,即可调节到所对应的给水48m,轴功率510kW压力。减少了运行人员的劳动强度。而且汽动给水泵检修周期3投运效果长,运行起来安全高效。(1)背压汽动给水泵投运后,背压式汽轮机给水泵的出力为4待改进的问题230th,可减少减温减压器的进汽量12th左右,同时可停止1(1)排气温度过高。汽动泵自试运以来,设计排气温度为台140th功率350kW给水泵和1台80th功率220kW给320℃,实际运行排气温度达到350-370℃,严重影响汽动泵水泵。背压汽动给水泵投运前后给水泵电耗大幅下降投运前,和排气管道的安全运行。原因为汽动泵为非标产品,存在设计缺热电厂2010年3月给水泵单耗为271kWht,安装背压汽动陷。给水泵后,2011年3月给水泵单耗为1.7kWht。(2)汽封漏气量大。汽动泵自厂家来人更换大轴后,汽封漏克拉玛依冬季时间较长,平均1年中有5个月低压蒸汽负气量比试运前期明显增大,轴封冷却器满负荷运行不能使漏气荷较大减温减压器处于投入状态,适合汽动泵投运条件汽动减少。判断为新轴与原汽封套间隙过大汽封套磨损所致泵投运时间按55个月进行计算,每年节电2257200kWh,(3)汽封冷却。汽动泵运行过程中,汽封漏气进入汽封冷按上网电价0414元Wh计算,每年可节省电费9345万元。却器需要循环水或工业水进行冷却,由于循环水水质差,造采用新建汽动给水泵,全套设备含汽机、泵、管道、及阀门等的成机泵冷却水管堵塞,改为工业水冷却,冷却后的冷却水排投资约为100万元,将减温减压器的节流损失回收,静态投资回地沟,造成新水浪费,建议将冷却水排入循环水塔,节省新收期约1年时间。水(2)安装背压汽动给水泵前,锅炉给水压力高时,通过调节參考文献再循环来满足给水压力。再循环长时间处于节流状态,阀板长时[1]郑体宽热力发电厂M北京:水利电力出版社,1991间冲蚀造成阀门不严密,在检修时需要解裂再循环母管隔离2]张芳背压式汽动给水泵在热电厂的应用[门热力发电,2006(3)系统扩大对安全运行极为不利,同时增加了检修的工作量和操3周景给中国煤化工J上海电力,205作人员的劳动强度。采用汽动给水泵调节时,可以根据外界负荷CNMHG节熊与环设多与维2016№1司研制的开关磁阻电机调速系统,结构与电路采用了轴向气隙92%-95%;③调速范围宽。一般可达10:1或20:1更适用于经常和晶闸管电路等新技术,具有较宽的调速范围被用于电动车的处于低速转状态的负载;④调速响应速度快能低频带载启动驱动控制。而后英国里兹(Leds)大学和诺丁汉( Nottingham)大但不适宜频繁开停;⑤可靠性不一致,进口名牌产品性能上乘。学的科研机构又继续提髙了电机的功率(达到50kW)与转速由于变频器内部结构复杂,元器件较多,因此故障点较多,检查(达到10000rmin)。1983年,英国TAsO公司正式生产 Oulton与排除故障比较费事;⑥有些变频器存在无功功率损耗和谐波品牌的通用调速系列产品。因性能价格比出众,在电气传动界引污染,应釆取无功补偿和有源滤波等应对措施;⑦对工作环境要起强烈反响,并在一些工业领域得到应用求较高,对振动与温度变化比较敏感,适应性较低131结构组成与工作原理变频技术引入中国已有20年以上的历史。这项技术在风开关磁阻电机调速系统由开关磁阻电机和控制器组成。这机、水泵等需要经常调速的装置上得到普遍应用,并且得到国家种电机定子和转子均由普通硅钢片叠压而成,结构的特殊在于有关部门的大力倡导与支持,取得明显的节电效果。随着技术进定子的内缘有12个凸极转子的外缘有8个凸极定子的12个步,变频调速装置的性能也在不断改善,有良好的应用的前景。凸极初分为3组,间隔串联构成三相(A、B、C绕组并分别供电,1.5永磁磁力耦合调速装置转子上则无绕组。1.51结构组成与工作原理调速系统的工作原理是:当定子A相绕组单独通电时,电机永磁磁力耦合调速装置(PMD)的基本结构组成:①与电机建立局部磁场在磁场作用下,定子的凸极拉动邻近转子凸极,使轴相联接的铜(或铝)质转子;②与负载轴相联接的永磁材料转之转动;在控制器的控制下,B相和C相绕组顺序单独通电使电子;③调节可以独立自由转动的两个转子间隔(气隙)的调节机机按要求的方向连续旋转来驱动设备。通过控制器改变相电流的构;④支撑上述部件的机壳;⑤给工作过程中铜(铝)转子降温的大小,就可以改变电机转矩强弱和转速快慢达到调速的目的。冷却系统13.2性能特点与应用永磁调速装置的工作原理:电机启动后,与它连接的铜转子开关磁阻电机调速系统的主要特点:①电机结构简单、坚开始转动,并与永磁转子产生相对运动,永磁转子的磁场通过气固。转子没有鼠笼构造的缺陷,电机可以超高速(10000rmin)隙在铜转子上产生涡流,涡流又产生感应磁场并与铜转子一致运转;②工作可靠性高,各相绕组和磁路相互独立。在特殊情况的方向旋转,产生力矩带动负载运动通过调节铜转子与永磁转下,当一相绕组或其控制电路发生的故障时,只会使电机总输出子之间气隙的大小(或宽窄)控制扭矩的强弱,获得可以调节与功率有所减少,而不会造成停机;③电机启动后,当电流为额定控制的负载转速电流的15%时,启动转矩能达到100%额定转矩;当启动电流为1.52性能特点与应用额定电流的30%时,其启动转矩达到150%额定转矩;④允许频从已知应用实例,归纳出永磁磁力耦合调速装置的主要特点繁开停机、正反转换频次每小时达1000次以上;⑤在很宽的调有:①结构相对简单安装方便。装置故障点较少故障率低检修速范围内系统效率均可达到87%以上。电机的空载电流只有容易;②调速范围宽能在098%范围内对负载进行无级调速;③额定电流的1%左右;⑥开关磁阻电机为特殊专用电机,选用时节电效果明显,一般可达97%左右;④允许空载启动且适应频繁需到专业厂家订购,而不能用普通电机改装;⑦目前,这种调速开停机;⑤对环境条件要求低,可在温度与湿度变化较大场合使系统还不适用超高压装置驱动。可以应用中高压风机、水泵的节用,且对一般振动不敏感;⑥装置的使用寿命较长,一般可运转能改造;更多的应用于大型金属加工机床。25年以上;⑦装置的购置费较高,约为变频器的1.2-15倍,但维14变频调速装置护费低所以其寿命周期费用仍可接受。大功率的永磁调速装置变频调速是又一种利用电力电子技术,对工业领域普通应在运行中铜转子产生涡流发热需要配置水冷却系统用的交流电机,实现无级调速的科技成果。它标志着电气传动技2调速技术在设备配置与改造中的应用实例术进入了新的的历史阶段变压器的发明与使用,使电力电压可21液力耦合调速装置应用案例以人为控制实现了电力传送与使用的突破;变频装置的研发与案例1。广州市员村热电公司拥有3台哈尔滨锅炉厂制造应用,使交流电源的频率资源得以充分利用,是电力传送与使用的HG-22098-YM10型单汽包锅炉每台锅炉配置贵州第一风的又一次飞跃机厂生产的送风机和引风机各2台。受习惯性设计思路的影响14l工作原理配置的引风机的出力裕度过大(经常在10%以上),且风量调节在外部电网与驱动电机之间串入一个由多种电子元件组成的方式落后致使风机效能低,电耗高。为了改变这种局面企业决变频器依靠对它的调控改变交流电网50Hz的固定频率实现电定采用调速装置驱动风机。起初拟参照广州发电厂灰浆泵(380机工作时所需的不同转速。一般的变频装置按电路分为两种类型:V,155kW)改造方案,采用绕线电机变频调速技术,节能经济①交交变频器。优点是效率髙耐过负荷能力大;②交一直交性甚佳。但同时得知需投资100万元,且运行维护费用较高。于频器。中间的直流环节有储能元件,可将储存电能回馈电网。是又考察了液力耦合器调速情况其经济性较好,而且功率消耗142性能特点与应用小。配套1台6kV,315kW电机液力耦合器的购置费仅需18变频调速装置的主要特点:①使设备节能改造简便易行。根万元,而且运行可靠性高。最终企业决定采用液力耦合调速改造据设备运行状态与相关参数选择适用的变频器按使用要求接方案。包招中国煤化工十支出487万元。改造入电机前端线路即可;②节电效果显著。改造后的整体效率可达后,年节电CNMHG万元,不足1年就收回设高盟理与维峰2016Nl萝態与环全部改造的投资。仪。根据生产供气需求规律设定PID控制模式与参数。空压机案例2。太原煤炭气化总公司焦化厂3·炼焦炉的1台运转时,PD将信号传输给变频器控制供给电机电源的工作频D800-26型鼓风机在设备节能改造时,安装了大连液力机械总率调节电机的转速。同时,空压机的驱动电机从静止开始逐步厂生产的GST50型液力耦合器。其输入转速300r/min,传递加速运转,可以实现“软启动”,避免过大启动电流冲击电网,也功率范围为560-1625kW,加油量232L(可使用6、8·和20°防止“硬启动”造成的机器零部件的冲击振动。汽轮机油),正常工作温度67℃。改造前,鼓风机驱动电机的工改造中应注意的问题是,当用气量很低导致电机工作频率降作电压为3kV,电流强度平均为110Ah。改造后,平均电流强至10Hz以下时,电机可能会发出异响严重时控制系统会因过度降为85Ah。经测算,每天节电1800kWh,全年节省电费约流而发生保护性自动停机这将影响正常生产。因此,应选择内置25万元,2年收回全部改造投资。休眠”功能的变频器,并设定当电动机工作频率下降到20Hz22串级调速技术应用案例时,电机驱动系统进入“休眠”状态;当压缩空气储罐压力下降到2004年,秦皇岛发电公司对一期工程!·灰渣泵进行节能改06MPa时,自动“唤醒”控制系统,使电机恢复正常工作。造。应用高频斩波内馈串级调速系统进行技术改造取得良好效该厂空压机实施变频调速节能改造后,空压机的月能耗由果。将改造前泵机配置的北京重型电机厂制造的JSQ512-8型4.3万kWh降至23万kWh,节电率达40%以上。据保守的估电机(570kW,6kV,744rmin),更换为兰州电机厂制造的算,节电率按30%计,正常运行负荷率按85%计,年运行时间按YRCT560-8型串级调速电机(560kW,6kV,741-358mmin)。300d,每天运行24h计,全年节电在10万kWh以上,节省电主要参数定子电流651A;转子电压977V转子电流354A费超过78万元反馈电压626V,反馈电流213A25永磁磁力耦合调速装置应用案例改造前1°灰渣泵全天全速运行,日均耗电量约为1万案例1。中国石化天津分公司采用永磁调速装置改造鼓风机kW·h,平均功率417kW;改造后,泵机每天全速运行6h,其取得良好的综合效益。①节电效益。改装前,年耗电量约为228万余时间为调速运行,转速600mmin,耗电量6600kWh,平均kWh;改造后降至137万kW·h,节约电量91万kWh,节电率功率275kW能满足经灰渣泵生产运行工艺要求。经测算,节为40%,年节电费用46万元②投资收益。购置、安装永磁调速器电率为34%(系按转速为80%额定转速计算,若再降低转速,则支付费用约70万元,15年即可收回全部投资;③改善风机运行节电率会更高)。按全年运行300d(7200h)计算,年节电量超状态。采用永磁调速装置后,风机的振动值从3.2mm降低至过100万kWh03mm,降幅90%,负荷平稳,电流波动值几乎为0。23开关磁阻电机调速装置应用案例案例2。中国石化仪征化纤公司热电中心有6台固态排渣案例1。山东招金矿业公司使用的风机、水泵、空压机和破碎高温高压煤粉炉。2013年,企业设备管理部门决定对其中5·炉机,均采用Y系列普通三相异步电机驱动启动电流大且大部分的2台吸风机进行节能改造。选用LAT0750H型永磁调速器额设备需要变负荷运行,企业拟安装变频器对电机进行调速改造。定转矩为5730Nm,最大转速为1000rmin。改造后降低耗电经专家分析论证,由于需要改造的设备多变频器使用过多会引率为089kWMt。以正常生产该炉供汽约2000th计,发电网产生大量谐波可能会造成设备运行时电容器和电动机过节电128万kWh,节省电费约58万元。热损坏。于是决定选用开关磁阻电机调速方式进行改造。参考文献从2008年7月开始改造,设备改造完成后至今运转正常。[1]左正涛,刘红红液力耦合器工作原理及其应用[J]应用节能技空压机节电率达到31%以上,水泵节电率在26%以上,风机的术,2007,(11).功率因数提高到098以上。同时,改造后设备运行平衡故障率2】唐宗权锅炉引风机改用调速型液力耦合器调节的经济分析低保证了企业生产的正常进行。节能技术,2003,(2)案例2。山东新华制药公司选用开关磁阻调速装置对空压[3]自小明等液力耦合器在焦化工厂煤气鼓风机上的应用和节能效机和水泵驱动系统进行节能改造,改造后水泵节电31%以上果[J.山西能源与节能,2002,(2)年的节电效益达到193万元。安装1台开关磁阻电机调速装置[4]王兵树,万军串级调速技术的发展及在发电厂的应用[C]工业企的成本约75万元,投资回收期仅为039年业节电技术研讨会论文集,200624变频调速装置应用案例5]江建国等开关磁阻电机调速系统的应用[中国设备工程,2010,(4)[6]付莉华陈兆夫开关磁阻电动机调速系统在恒压供能系统中的应杭州塑料工业公司硬复车间供气系统使用1台55kW[J.中国设备工程,2008,(2LGFD-107-A)螺杆式空压机,对1个10m3储气罐供应压缩[7]钱广华永磁调速器应用在鼓风机上的节能效果分析[J电气应空气,上限压力08MPa,下限压力06MPa。空压机电机采用用,2009,(22)50Hz供电。[8]赵国祥等永磁调速驱动器在闭式冷却水泵上的节能改造[J节实际生产中,需要满负荷运转的时间并不长,空压机经常处能,2010,(4)于空运转状态针对这种情况企业设备管理部门分析论证后提9]孙灿炬空压机变频改造总结中国设备工程,2014,(8出,采用矢量控制的变频器结合PD技术,对空压机进行调速10高庆坤印胜伟水磁调速技术在电厂锅炉吸风机中的应用[J节能改造。中国设中国煤化工改造方案选用55kW通用型变频装置和PID自整定控制〔编辑李波〕CNMHG节熊与环保设理与维2016N1