淺談變頻器在燃氣系統中的應用

摘 要

摘要：本文對鞍山市燃氣系統中變頻器的應用情況進行了總結，為現有燃氣系統調速控制改造提供了參考和依據。關鍵詞：變壓器；負載率1 引言 在節能降耗日益重要的今天，無論從國家大
摘要：本文對鞍山市燃氣系統中變頻器的應用情況進行了總結，為現有燃氣系統調速控制改造提供了參考和依據。
關鍵詞：變壓器；負載率
1 引言
    在節能降耗日益重要的今天，無論從國家大力提倡企業降低資源的消耗，還是從企業自身經濟利益及其發展的角度講，節能降耗都是企業的當務之急。調速技術在各行各業的應用帶來的節能效果是明顯的[1～3]，在燃氣供應系統中主要耗電設備是燃氣輸送類設備(如燃氣壓縮機和燃氣鼓風機)與燃氣濕法脫硫凈化設備(如溶液泵和空氣壓縮機)，對其進行變頻節能改造是企業的重中之重。
2 變頻調節轉速的功耗分析
    在各類負載中，以流體(氣體或液體)的流量作為控制對象的機械占有相當大的比例，例如：風機、水泵、壓縮機等等。改變流量的方法一般有兩種：電動機的轉速恒定，調節閥門(或風門)的開度；閥門(或風門)的開度恒定，調節電動機的轉速。在被控流量相同的情況下，兩種方法的耗用功率是很不一樣的。
(1) 水泵系統調節流量的方法比較
    見圖1，當閥門全部打開時，供水系統的阻力特性是曲線1；額定轉速時，泵的揚程特性是曲線2。這時，供水系統的工作點為A點；流量為QA；揚程為HA；電動機的軸功率與面積0QAAHA成正比。
    要使流量減少為QB，主要的調節方法有兩種：
    ① 轉速不變、將閥門關小，這時阻力特性如曲線3所示，工作點上移至B點；流量為QB；揚程為HB；電動機的軸功率與面積0QBBHB成正比。
    ② 閥門的開度不變，降低轉速這時揚程特性曲線如曲線4所示，工作點移至C點；流量仍為QB；但揚程為HC；電動機的軸功率與面積0QCCHC成正比。
對比以上兩種方法，可以十分明顯地看出，采用調節轉速的方法來調節流量，電動機所需要的功率將大大減少，因而是一種能夠顯著節約能源的方法。
 

    (2) 風機系統調節流量功耗比較分析
    由流體力學可知，風量Q與轉速n的一次方成正比，風壓H與轉速n的平方成正比，軸功率Ps與轉速n的三次方成正比。當所需風量減少風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降，如所需風量為額定風量的80%，則轉速也下降為額
    定轉速的80%，而軸功率下降為額定功率的從事燃氣工程設計、管理及相關研究工作。51.2%，當所需風量為額定風量的50%時，軸功率可以下降為額定功率的12.5%。
    當然，轉速降低時，效率也會有所降低，同時還應考慮控制裝置附加損耗，即便如此，這種方法的節電效果也是非常可觀的。綜合以上分析可以看出變頻調速是節能方式的最佳選擇。
3 變頻器在燃氣生產中的使用
    鞍山燃氣總公司每年消耗電量達4.2×106kWh，其主要耗電設備是燃氣輸送類設備(如燃氣壓縮機和燃氣鼓風機)與燃氣濕法脫硫凈化設備(如溶液泵和空氣壓縮機)。可以看出主要耗電設備都是風機和泵類，采取變頻調速節能技術進行控制其節能效果非常明顯。結合實際情況，選擇變頻器兩種控制方式，一是對供氣設備用變頻器做閉環調節保持市街管網的壓力恒定；二是對燃氣濕法脫硫凈化用開環控制利用變頻器的無極調速功能。
(1) 變頻調速恒壓系統的基本配置
    鞍山燃氣總公司使用變頻調速恒壓系統是用在燃氣的輸送，以輸出壓力作為控制對象，見圖2。由顯示設定控制器輸出控制信號接至變頻器，變頻器輸出控制電動機的工作頻率，由壓力傳感器取出信號接至變頻器，利用變頻器白帶的內部PID調節器，與預置的壓力給定信號相比較后，經PID調節控制改變電動機的轉速。
 

    變頻器采用西門子公司的MM4系列變頻器，壓力變送器采用本質安全型，顯示給定器是集顯示現場實際壓力和設定壓力為一體的裝置。其工作方式是先將顯示給定器的量程設定成與變送器的量程一致，通過改變設定壓力，輸出與之相應的標準信號，變頻器接收該信號并與變送器的信號相比較進行PI控制。
(2) 變頻調速恒壓系統在燃氣供氣中的應用
    鞍山燃氣總公司山南供氣站供應鞍鋼東鞍山燒結廠有一條專用供氣線，在未使用變頻器時使用的是30kW的羅茨鼓風機供氣，當需要壓力調節時工人去開閉旁通閥調節壓力，由于時間具有不確定性，加大了工人的勞動強度，同時由于該設備連續運行且距離居民住宅較近，在夏天半夜時的噪音很大，經常有居民投訴。為此，鞍山燃氣總公司決定使用變頻器恒壓控制來保證供氣壓力穩定，對于噪音的解決辦法，考慮選用大的羅茨鼓風機，通過大幅度降低轉速來實現噪音的降低，但選用大的羅茨鼓風機同時又要從運行費用方面進行分析。為此在改造之前，鞍山燃氣總公司對原有30kW的羅茨鼓風機進行了耗電量分析，發現實際耗電量為17.5kWh。變頻恒壓改造鞍山燃氣總公司選用的是90kW的羅茨鼓風機，調節器安裝在操作室內，職工根據調度指令設定壓力。無論燒結廠用氣量如何變化，均能實現壓力的恒定，極大減輕了職工的勞動強度。變頻器的實際輸出頻率僅為17.6Hz，經實際測量使用變頻器控制的90kW羅茨鼓風機的實際耗電量儀為18.5kWh。改造后無論是在供氣工藝、噪音控制、耗電等方面均達到了理想效果。對交流電動機轉速進行變頻調節，除具有顯著的節能作用、調速性能之外，還能保護附屬電氣設備，減小電機啟動時造成的機械沖擊，是理想的節能和控制裝置。
(3) 變頻節能改造在濕法脫硫系統中的應用
    在濕法脫硫系統采用開環控制，在滿足生產的前提下調節變頻器輸出頻率，實際頻率為溶液泵是40.5Hz、空壓機是45Hz。濕法脫硫系統是長期連續運行設備，其節能效果相當明顯，耗電量降低了20%左右。
4 變頻器在燃氣生產使用中的綜合效益分析
(1) 提高變壓器的負載率
    電動機直接啟動時電流是額定電流的6～7倍，由于啟動電流大對供電容量有較高要求。當由變壓器進行供電時，單臺電機的容量不能超過變壓器容量的1/3；當由柴油發電機進行供電時，單臺電機的容量不能超過發電機容量的1/4。這也造成供電容量大于設備容量之和較多的情況出現，使得基本電費增加，同時也限制了供氣工藝的改造，不能選用更大電動機容量的設備。當使用變頻器控制電動機時，啟動電流為額定電流以下，這樣在供電容量不變的情況下，可以選用更大的電動機。如鞍山燃氣總公司鐵西供氣站是1997年改建，供電容量為800kVA，由2臺400kVA變壓器并列運行，主要供氣設備功率為2臺160kW和1臺90kW羅茨鼓風機，實際變壓器負載率為60%左右。隨著用氣量增加原有供氣能力已不能滿足需要，需要更新為兩臺250kW的羅茨鼓風機，按照以前的控制方式需要對用電容量進行增容，就需更換成2臺630kVA變壓器，會造成較大的投資。當利用變頻器控制后，考慮到使用變頻器啟動電機時啟動電流是在額定電流以下，就不用對用電容量進行增容，進而節約資金。為此2008年增加變頻系統。用兩臺250kW的變頻器帶動羅茨鼓風機供氣，仍然用原有的2臺400kVA變壓器并列運行供電，實現了在不增容的前提下提升供氣能力，現在變壓器負載率為80%左右。
(2) 在天然氣供應的應急保證
    鞍山市焦爐氣與天然氣的供應工藝上有區別，焦爐氣供應由4個儲配站實現環網狀供應，天然氣是單獨儲配站支線供應，這樣就對天然氣的供應提出了更高的要求，一旦電網停電就會造成無法供氣的局面。隨著變頻器推廣應用，能否使用發電機帶動供氣鼓風機運行。天然氣儲配站配備有1臺120kVA的柴油發電機，是作為保證儲罐正常運行的后備電源供應，而天然氣的羅茨鼓風機是160kW，按常理用120kVA的柴油發電機是決不可能帶動的，但考慮到使用變頻器時電機啟動電流是在額定電流以下，并且羅茨鼓風機屬于輕載負荷，故此存在這種可能性。首先，測量電機啟動電流，用變頻器帶動的160kW電機啟動電流為160A，低于發電機的額定電流180A，故此認為可以進行一下試驗。經過試驗，120kVA的柴油發電機可以帶動160kW的羅茨鼓風機進行供氣。但這種情況旨在維持市街管網的基本壓力，無法滿足供氣設備滿負荷運行。
5 結束語
    通過使用變頻器后，鞍山燃氣公司的總耗電量下降了15%左右；實現了全自動控制大大降低了操作人員的勞動強度，減少了設備啟停時的電流和機械沖擊，延長了設備機組的使用壽命，取得了良好的經濟效益。使用變頻器啟動電機時利用啟動電流在額定電流以下的特性，實現了在不增容的前提下提升供氣能力，提高了變壓器的負載率，并利用該特性提高了天然氣供氣的可靠性。
參考文獻：
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[2] 淺談變頻器在焙燒多功能天車的應用[J].2009.3：22-23，7.
[3] 供水系統調速控制改造能耗比較研究[J].科技信息，2009.26：90-91.
 
(本文作者：馬瑛超1 劉延智2 譚洪艷3 1.鞍山市燃氣總公司 遼寧鞍山 114002：2.西安秦華天然氣有限公司 陜西西安 710075：3.遼寧科技大學資源與土木工程學院 遼寧鞍山 114051)