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摘 要： 以节能降耗为目的，变频电机广泛应用于电力、冶金、石油、化工、水处理等行业中。结合空冷器的工作特点，将变频电机应用到空冷器风机的驱动中，以实现变频调速，降低能耗的目的。
关键词： 变频电机；空冷器；节能降耗
中图分类号：TG457 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0810133－01
0 前言
中原油田分公司天然气处理采用空冷器对精馏塔进行冷却降温，其供风装置为GZ系列轴流风机，设计动力为普通三相异步电动机。冬、春季气温较低，空冷器在下限转速运转，带走的热量远超过装置各系统的工艺要求，导致塔压过低，操作工艺参数不稳定。为了稳定塔压，需要提高塔底热油流量，增大塔顶回流，最终导致精馏热负荷增大，燃料气的消耗量增大。我厂将空冷器电机改为变频电机，实现变速控制。本文根据GZ系列轴流风机情况介绍变频电机在空冷器中的应用。
1 空冷器的主要工作参数分析
1.1 空冷器热负荷与环境温度的关系
空冷器的作用是以环境空气作为冷却介质，与管束内高温工艺流体进行热交换，以符合生产需求，流体在冷却或冷凝的同时，空冷器内空气温度升高。空冷器内空气温升△t与空冷器散热量Q、空气体积流量V的关系式：
式中： -空气的温升，℃；t2-空气出口温度，℃；t1-空气入口温度，℃； -空气密度，一般取1.292kg/m3； -空气比热容，取1004.9J/（kg.k）； -空气体积流量，m3/h； -热量，J/h；精馏系统通过空冷器散热的热量。
空气出口温度t2决定精馏系统的压力和温度，应保持t2稳定。空气入口温度t1即环境温度，t1降低时，为了保持热量Q不变，应降低空冷器的空气体积流量。以一台精馏塔为例，经实际测量其空气出口温度t2为54℃。按照夏季气温t140℃，冬季气温t1-10℃计算，若保持Q不变，则有：
为了保持空冷器热负荷不变，则冬季的风量为夏季的21.875%，风量下限为最大值的20%为宜。
1.2 空冷器风机的风量调节
根据风机风量与转速的关系公式：
式中：V-风量，m3/h； -风量系数；D-叶轮直径，m；n-轴转速，r/min。
风量与风机的转速是线性关系，随转速的增加递增，降低风机的转速可有效降低风机的风量。空冷器的风量下限要达到最大值的20%的目标，则风机的转速下限也要达到最大值的20%，才能在不同外界气温条件下，满足对热量调节的要求。因此空冷器驱动电机的转速能在额定转速的20%～100%间进行调节即可满足生产要求。
2 变频电机的选择
2.1 电机转速的调节。采用变频器加三相异步电动机驱动空冷器风机，可通过调节变频器输出频率的方式调节空冷器的转速。根据电机转速公式（3）
式中： -频率； -电机极对数，同一电机的极对数不变； -转差率，根据电机的不同一般为0.02～0.06之间。可知，电机的转速与频率呈线性关系，频率降到额定值的20%，电机转速也可以降低到额定值的20%。三相异步电动机的额定工作频率为50Hz，其20%为10Hz。因此三相异步电动机工作频率在10～50Hz之间，其转速调节范围即可满足生产的要求。
2.2 普通电动机与变频电动机的对比。第二气体处理厂空冷器风机原配备动力为普通三相异步电动机。在实际应用中，普通三相异步电动机散热风扇装在电机转轴上，在低速下电机散热能力迅速下降，电机温升增加。同时普通电机设计时为了提高效率，磁路一般设计为饱和，变频器的输出含高次谐波在低频下可加深磁路饱和，导致电机损耗温升增加。为保证普通电机正常工作，普通电机的工作频率范围不超过30～50Hz，不能满足生产调节的要求。变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，具备更宽广的调速范围和更高的设计质量，并可进一步抑制高次谐波磁场，满足宽频、节能和低噪音的设计指标。变频电动机的冷却方式采用独立的电机驱动，强迫通风冷却，其散热与主电机转速无关。
2.3 电机转速与功率。风机属于典型的二次方转矩负载，理论上风量与转速的一次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。当风机转速下降时，其电动机输入功率迅速降低。因此将普通电机改为变频电机可到降低电机下限运行频率、下限转速。变频电机在低频率情况下运行时，所需要的功率大大降低，还可节约电能。
3 变频电机的应用
3.1 电气线路。由于变频电机在低频率状态采用自体风扇散热效果较差，采用独立的电机强迫通风冷却方式对变频电机主电机散热。每台变频电机须增加独立散热风扇的供电及控制系统。
3.2 变频器参数修改。更改了配套使用的电机后，对应变频器的参数调整如下：1）下限频率参数F012，由30Hz改为5Hz；2）最小模拟输入量对应频率参数F014，由30Hz改为5Hz；3）电机过载保护方式选择参数F018，由1（普通电机）改为2（变频电机）。
4 主要技术指标对比
4.1 电性能。风机电机改为变频电机后，其运行频率范围由30～50Hz变为5～50Hz。在冬季运行时，各变频器工作在5Hz的低频率下运行。经使用功率测量仪对电机相应频率下的功率进行测量，功率测量仪器型号：HIOKI 3286-20，经测试，电机在冬季运行时，实际总功率由30Hz时的44.46Kw，降低到5Hz时3.53Kw，去除变频电机增加的散热风扇的功率1.44Kw，总运行功率降低39.49Kw。
4.2 热负荷。风机电机改为变频电机后，正常操作条件下，各塔正常操作下的塔底热油流量降低，实际测量燃气流量由620m3/h降低到525m3/h，降低燃料气的消耗量95m3/h。
5 结论
空冷器电机采用变频电机，可以根据外界温度调整电机功率，实现调节空冷器供风量的目的，从而提高了空冷器的使用率和系统的效率，降低能耗。另一方面变频器控制实现了电机软启动，延长电机使用命，也减少了电气维护工作量。
参考文献：
[1]张承慧、崔纳新、李珂，交流电机变频调速及其应用，机械工业出版社，2008.
[2]童景山、李敬，流体热屋里性质的计算，清华大学出版社，1982.
关键词： 变频电机；空冷器；节能降耗
中图分类号：TG457 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0810133－01
0 前言
中原油田分公司天然气处理采用空冷器对精馏塔进行冷却降温，其供风装置为GZ系列轴流风机，设计动力为普通三相异步电动机。冬、春季气温较低，空冷器在下限转速运转，带走的热量远超过装置各系统的工艺要求，导致塔压过低，操作工艺参数不稳定。为了稳定塔压，需要提高塔底热油流量，增大塔顶回流，最终导致精馏热负荷增大，燃料气的消耗量增大。我厂将空冷器电机改为变频电机，实现变速控制。本文根据GZ系列轴流风机情况介绍变频电机在空冷器中的应用。
1 空冷器的主要工作参数分析
1.1 空冷器热负荷与环境温度的关系
空冷器的作用是以环境空气作为冷却介质，与管束内高温工艺流体进行热交换，以符合生产需求，流体在冷却或冷凝的同时，空冷器内空气温度升高。空冷器内空气温升△t与空冷器散热量Q、空气体积流量V的关系式：
式中： -空气的温升，℃；t2-空气出口温度，℃；t1-空气入口温度，℃； -空气密度，一般取1.292kg/m3； -空气比热容，取1004.9J/（kg.k）； -空气体积流量，m3/h； -热量，J/h；精馏系统通过空冷器散热的热量。
空气出口温度t2决定精馏系统的压力和温度，应保持t2稳定。空气入口温度t1即环境温度，t1降低时，为了保持热量Q不变，应降低空冷器的空气体积流量。以一台精馏塔为例，经实际测量其空气出口温度t2为54℃。按照夏季气温t140℃，冬季气温t1-10℃计算，若保持Q不变，则有：
为了保持空冷器热负荷不变，则冬季的风量为夏季的21.875%，风量下限为最大值的20%为宜。
1.2 空冷器风机的风量调节
根据风机风量与转速的关系公式：
式中：V-风量，m3/h； -风量系数；D-叶轮直径，m；n-轴转速，r/min。
风量与风机的转速是线性关系，随转速的增加递增，降低风机的转速可有效降低风机的风量。空冷器的风量下限要达到最大值的20%的目标，则风机的转速下限也要达到最大值的20%，才能在不同外界气温条件下，满足对热量调节的要求。因此空冷器驱动电机的转速能在额定转速的20%～100%间进行调节即可满足生产要求。
2 变频电机的选择
2.1 电机转速的调节。采用变频器加三相异步电动机驱动空冷器风机，可通过调节变频器输出频率的方式调节空冷器的转速。根据电机转速公式（3）
式中： -频率； -电机极对数，同一电机的极对数不变； -转差率，根据电机的不同一般为0.02～0.06之间。可知，电机的转速与频率呈线性关系，频率降到额定值的20%，电机转速也可以降低到额定值的20%。三相异步电动机的额定工作频率为50Hz，其20%为10Hz。因此三相异步电动机工作频率在10～50Hz之间，其转速调节范围即可满足生产的要求。
2.2 普通电动机与变频电动机的对比。第二气体处理厂空冷器风机原配备动力为普通三相异步电动机。在实际应用中，普通三相异步电动机散热风扇装在电机转轴上，在低速下电机散热能力迅速下降，电机温升增加。同时普通电机设计时为了提高效率，磁路一般设计为饱和，变频器的输出含高次谐波在低频下可加深磁路饱和，导致电机损耗温升增加。为保证普通电机正常工作，普通电机的工作频率范围不超过30～50Hz，不能满足生产调节的要求。变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，具备更宽广的调速范围和更高的设计质量，并可进一步抑制高次谐波磁场，满足宽频、节能和低噪音的设计指标。变频电动机的冷却方式采用独立的电机驱动，强迫通风冷却，其散热与主电机转速无关。
2.3 电机转速与功率。风机属于典型的二次方转矩负载，理论上风量与转速的一次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。当风机转速下降时，其电动机输入功率迅速降低。因此将普通电机改为变频电机可到降低电机下限运行频率、下限转速。变频电机在低频率情况下运行时，所需要的功率大大降低，还可节约电能。
3 变频电机的应用
3.1 电气线路。由于变频电机在低频率状态采用自体风扇散热效果较差，采用独立的电机强迫通风冷却方式对变频电机主电机散热。每台变频电机须增加独立散热风扇的供电及控制系统。
3.2 变频器参数修改。更改了配套使用的电机后，对应变频器的参数调整如下：1）下限频率参数F012，由30Hz改为5Hz；2）最小模拟输入量对应频率参数F014，由30Hz改为5Hz；3）电机过载保护方式选择参数F018，由1（普通电机）改为2（变频电机）。
4 主要技术指标对比
4.1 电性能。风机电机改为变频电机后，其运行频率范围由30～50Hz变为5～50Hz。在冬季运行时，各变频器工作在5Hz的低频率下运行。经使用功率测量仪对电机相应频率下的功率进行测量，功率测量仪器型号：HIOKI 3286-20，经测试，电机在冬季运行时，实际总功率由30Hz时的44.46Kw，降低到5Hz时3.53Kw，去除变频电机增加的散热风扇的功率1.44Kw，总运行功率降低39.49Kw。
4.2 热负荷。风机电机改为变频电机后，正常操作条件下，各塔正常操作下的塔底热油流量降低，实际测量燃气流量由620m3/h降低到525m3/h，降低燃料气的消耗量95m3/h。
5 结论
空冷器电机采用变频电机，可以根据外界温度调整电机功率，实现调节空冷器供风量的目的，从而提高了空冷器的使用率和系统的效率，降低能耗。另一方面变频器控制实现了电机软启动，延长电机使用命，也减少了电气维护工作量。
参考文献：
[1]张承慧、崔纳新、李珂，交流电机变频调速及其应用，机械工业出版社，2008.
[2]童景山、李敬，流体热屋里性质的计算，清华大学出版社，1982.