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【摘要】 在现代工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备的应用范围非常广泛。其电能消耗也相当巨大。因此大力推广应用变频调速技术，不仅是当前提高企业节能降耗、提高产品质量的重要手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。在某400万吨/年煤炭间接液化项目空分装置中拥有大量的大功率空冷器轴流风机，该类风机采用变频控制，节能效果显著。
【关键词】变频调速 节能 风机 泵 空分装置
1 概述
据统计，我国的电动机用电量占全国发电量的60%～70%左右，而风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3左右。造成目前这种状况的主要因素就是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，无论生产的需求大小，风机、水泵都要全速运转，其输出功率大量消耗在挡板、阀门的截流过程中，同时也增加了设备的损耗。由于风机、水泵类多数为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也将大幅下降，因此节能潜力非常大，目前最有效的节能措施就是采用变频调速技术来调节流量、风量，应用变频器节电率可以达到20%～50%，投资回收期1～3年左右，经济效益相当可观。因此大力推广应用变频调速技术，不仅是当前提高企业节能降耗、提高产品质量的重要手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。
在某400万吨/年煤炭间接液化项目空分装置中拥有大量的大功率空冷器轴流风机及其他泵类设备，采用变频控制节能效果显著。该项目包含12套101500Nm3/hO2的空分装置、一套空压站以及两套后备系统。
该空分装置项目采用变频器控制的风机类负荷包括每套空分装置9台160kW的空冷器轴流风机。空冷器轴流风机容量是按照最热月平均温度工况下并留有一点余量选择的，据林德公司实际运行经验显示，该风机电动机如采用变频控制在正常工况下实际运行功率只有75.7kW左右。如果按照每年工作333天计算，采用变频控制调速相比采用挡板开度调速，仅12套空分装置空冷器轴流风机节省电能就达到约4.96*107kWh（计算过程详见“四、变频调速装置节能计算”）。
该空分项目采用变频控制的泵类设备包括每套空分装置3台190kW液氧内循环泵、2台110kW液氧流程泵、2台75kW液氮内压缩泵以及每套后备系统3台190kW液氧后备泵、3台295kW高压液氮后备泵、3台315kW中压液氮后备泵。根据林德公司提供数据计算该项目泵类负荷采用变频控制在正常工况下每年可节省电能约1.0x107kWh（该数据为不计入后备系统所节省电能，因后备系统不常用）。
2 变频调速技术的基本原理
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n=60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过调节电动机工作电源频率，同时调节输入电压，达到调节电机转速的目的。我们使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
3 变频调速装置的节能方式
3.1 变频调速装置的调速节能
由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）* H（压力），而流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，得功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：本项目一台液氮内压缩泵75kW，当转速下降到原转速的4/5时，其单位小时内的耗电量为75*（4/5）3=38.4KW·h，可省电（75-38.4）/75=48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其单位小时内的耗电量为75*（1/2）3=9.375KW·h，可省电（75-9.375）/75=87.5%。
3.2 变频调速装置的功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=S*COSФ，Q=S*SINФ，其中S-视在功率，P-有功功率，Q-无功功率，COSФ-功率因数，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.8之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSФ≈1，从而减少了无功损耗。
3.3 变频调速装置的软起动节能
由于大容量电机直接启动时，起动电流等于（4-7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，起动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频调速装置后，利用变频器的软起动功能将使起动电流从零开始，平滑的达到额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。
4 变频调速装置节能计算
对于本空分装置项目风机、泵类设备采用变频调速装置后的节能效果，可以采用以下方式进行计算：
根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P / P0=（n / n0）3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。
以本项目一台轴流风机160kW为例。运行工况以 24小时连续运行，其中每天16小时运行在90%负荷（频率按45Hz计算，挡板调节时电机功耗按97%计算），8小时运行在50%负荷（频率按25Hz计算，挡板调节时电机功耗按72%计算），全年运行时间以333天为计算依据。 则采用变频调速装置时每年的节电量为：
W 1 = 1 6 0×1 6×[ 1-（4 5 / 5 0）3]×333=231022.08kW·h
W2=160×8×[1-（25/50）3]×333=372960kW·h
W b = W 1+W 2 = 2 3 1 0 2 2 . 0 8+372960=603982.08kW·h
W1为一台空冷器风机采用变频调速装置调速，频率为45HZ时每年的节电量
W2为一台空冷器风机采用变频调速装置调速，频率为25HZ时每年的节电量
Wb为一台空冷器风机采用变频调速装置调速时，每年总的节电量
采用挡板开度时一台空冷器风机的节电量为：
W 3 = 1 6 0×（1-9 7 %）×16×333=25574.4kW·h
W 4 = 1 6 0×（1-7 2 %）×8×333=119347.2kW·h
W d = W 3+W 4 = 2 5 5 7 4 . 4+119347.2=144921.6kW·h
W3为一台空冷器风机采用挡板开度调速，电机功耗在97%时，每年的节电量；
W4为一台空冷器风机采用挡板开度调速，电机功耗在72%时，每年的节电量；
Wd为一台空冷器风机采用挡板开度调速时，每年总的节电量。
相较一台空冷器风机每年节电量为：W = W b-W d = 6 0 3 9 8 2 . 0 8 -144921.6=459060.48kW·h。
那么，本项目共12套空分装置，每套空分装置有9台160kW的空冷器轴流风机，共计节省电能约为12*9*572227.2=4.96*107kWh。
每度电按0.5元计算，则采用变频调速本项目12套空分装置仅空冷器轴流风机每年可节约电费2480万元。
5 结束语
本空分装置项目大功率风机、泵类设备均采用了变频调速控制技术。实践证明，变频调速控制技术用于风机、泵类设备驱动控制场合节电效果显著。变频调速技术是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期，应在其他类似项目中大力推广。
参考文献
[1] 黄俊，王兆安.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，2003.1
[2] 马小亮.大功率交-直-交变频调速及矢量控制技术.北京：机械工业出版社，1998.6
[3] 刘介才.工厂供电.北京：机械工业出版社，1996.5
[4] 电气标准规范汇编 北京：计划出版社，1994
作者简介
李国民，男，2001年7月毕业于抚顺石油学院工业电气自动化专业，毕业后一直从事电气设计工作。
【关键词】变频调速 节能 风机 泵 空分装置
1 概述
据统计，我国的电动机用电量占全国发电量的60%～70%左右，而风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3左右。造成目前这种状况的主要因素就是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，无论生产的需求大小，风机、水泵都要全速运转，其输出功率大量消耗在挡板、阀门的截流过程中，同时也增加了设备的损耗。由于风机、水泵类多数为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也将大幅下降，因此节能潜力非常大，目前最有效的节能措施就是采用变频调速技术来调节流量、风量，应用变频器节电率可以达到20%～50%，投资回收期1～3年左右，经济效益相当可观。因此大力推广应用变频调速技术，不仅是当前提高企业节能降耗、提高产品质量的重要手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。
在某400万吨/年煤炭间接液化项目空分装置中拥有大量的大功率空冷器轴流风机及其他泵类设备，采用变频控制节能效果显著。该项目包含12套101500Nm3/hO2的空分装置、一套空压站以及两套后备系统。
该空分装置项目采用变频器控制的风机类负荷包括每套空分装置9台160kW的空冷器轴流风机。空冷器轴流风机容量是按照最热月平均温度工况下并留有一点余量选择的，据林德公司实际运行经验显示，该风机电动机如采用变频控制在正常工况下实际运行功率只有75.7kW左右。如果按照每年工作333天计算，采用变频控制调速相比采用挡板开度调速，仅12套空分装置空冷器轴流风机节省电能就达到约4.96*107kWh（计算过程详见“四、变频调速装置节能计算”）。
该空分项目采用变频控制的泵类设备包括每套空分装置3台190kW液氧内循环泵、2台110kW液氧流程泵、2台75kW液氮内压缩泵以及每套后备系统3台190kW液氧后备泵、3台295kW高压液氮后备泵、3台315kW中压液氮后备泵。根据林德公司提供数据计算该项目泵类负荷采用变频控制在正常工况下每年可节省电能约1.0x107kWh（该数据为不计入后备系统所节省电能，因后备系统不常用）。
2 变频调速技术的基本原理
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n=60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过调节电动机工作电源频率，同时调节输入电压，达到调节电机转速的目的。我们使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
3 变频调速装置的节能方式
3.1 变频调速装置的调速节能
由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）* H（压力），而流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，得功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：本项目一台液氮内压缩泵75kW，当转速下降到原转速的4/5时，其单位小时内的耗电量为75*（4/5）3=38.4KW·h，可省电（75-38.4）/75=48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其单位小时内的耗电量为75*（1/2）3=9.375KW·h，可省电（75-9.375）/75=87.5%。
3.2 变频调速装置的功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=S*COSФ，Q=S*SINФ，其中S-视在功率，P-有功功率，Q-无功功率，COSФ-功率因数，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.8之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSФ≈1，从而减少了无功损耗。
3.3 变频调速装置的软起动节能
由于大容量电机直接启动时，起动电流等于（4-7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，起动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频调速装置后，利用变频器的软起动功能将使起动电流从零开始，平滑的达到额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。
4 变频调速装置节能计算
对于本空分装置项目风机、泵类设备采用变频调速装置后的节能效果，可以采用以下方式进行计算：
根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P / P0=（n / n0）3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。
以本项目一台轴流风机160kW为例。运行工况以 24小时连续运行，其中每天16小时运行在90%负荷（频率按45Hz计算，挡板调节时电机功耗按97%计算），8小时运行在50%负荷（频率按25Hz计算，挡板调节时电机功耗按72%计算），全年运行时间以333天为计算依据。 则采用变频调速装置时每年的节电量为：
W 1 = 1 6 0×1 6×[ 1-（4 5 / 5 0）3]×333=231022.08kW·h
W2=160×8×[1-（25/50）3]×333=372960kW·h
W b = W 1+W 2 = 2 3 1 0 2 2 . 0 8+372960=603982.08kW·h
W1为一台空冷器风机采用变频调速装置调速，频率为45HZ时每年的节电量
W2为一台空冷器风机采用变频调速装置调速，频率为25HZ时每年的节电量
Wb为一台空冷器风机采用变频调速装置调速时，每年总的节电量
采用挡板开度时一台空冷器风机的节电量为：
W 3 = 1 6 0×（1-9 7 %）×16×333=25574.4kW·h
W 4 = 1 6 0×（1-7 2 %）×8×333=119347.2kW·h
W d = W 3+W 4 = 2 5 5 7 4 . 4+119347.2=144921.6kW·h
W3为一台空冷器风机采用挡板开度调速，电机功耗在97%时，每年的节电量；
W4为一台空冷器风机采用挡板开度调速，电机功耗在72%时，每年的节电量；
Wd为一台空冷器风机采用挡板开度调速时，每年总的节电量。
相较一台空冷器风机每年节电量为：W = W b-W d = 6 0 3 9 8 2 . 0 8 -144921.6=459060.48kW·h。
那么，本项目共12套空分装置，每套空分装置有9台160kW的空冷器轴流风机，共计节省电能约为12*9*572227.2=4.96*107kWh。
每度电按0.5元计算，则采用变频调速本项目12套空分装置仅空冷器轴流风机每年可节约电费2480万元。
5 结束语
本空分装置项目大功率风机、泵类设备均采用了变频调速控制技术。实践证明，变频调速控制技术用于风机、泵类设备驱动控制场合节电效果显著。变频调速技术是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期，应在其他类似项目中大力推广。
参考文献
[1] 黄俊，王兆安.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，2003.1
[2] 马小亮.大功率交-直-交变频调速及矢量控制技术.北京：机械工业出版社，1998.6
[3] 刘介才.工厂供电.北京：机械工业出版社，1996.5
[4] 电气标准规范汇编 北京：计划出版社，1994
作者简介
李国民，男，2001年7月毕业于抚顺石油学院工业电气自动化专业，毕业后一直从事电气设计工作。