李瑋 （大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

變頻器在深冷站的應(yīng)用分析

李瑋 （大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛，其電能消耗及維護(hù)、維修費(fèi)用占生產(chǎn)成本的7%～25%。文中簡(jiǎn)述了變頻器的工作原理及優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)薩南深冷站空冷器的實(shí)際情況，對(duì)本站空冷器變頻器改造進(jìn)行了運(yùn)行狀況分析以及投產(chǎn)效益計(jì)算，通過(guò)分析可以看出變頻器改造確實(shí)是促進(jìn)節(jié)能降耗的重要手段。

變頻器 節(jié)能 效益 改造

在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛；其電能消耗和閥門(mén)、擋板相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護(hù)、維修費(fèi)用占到生產(chǎn)成本的7%～25%，是一筆不小的生產(chǎn)費(fèi)用開(kāi)支，節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本的重要手段之一。

80年代初發(fā)展起來(lái)的變頻調(diào)速技術(shù)，正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的要求，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的智能電動(dòng)機(jī)時(shí)代。一改普通電動(dòng)機(jī)只能以定速方式運(yùn)行的陳舊模式，使得電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)負(fù)載在無(wú)須任何改動(dòng)的情況下即可以按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電動(dòng)機(jī)功耗，達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的[1]。

1 變頻器理論及其在深冷站運(yùn)行效益分析

1.1 變頻器的原理及優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)機(jī)電設(shè)備配合設(shè)計(jì)原則，電動(dòng)機(jī)的最大功率必須滿足負(fù)載下的機(jī)械功率和轉(zhuǎn)矩，對(duì)于不同的負(fù)載，最大值并非時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生，負(fù)載的變化是非線性的，而電動(dòng)機(jī)的輸出功率卻是恒定的，這就意味著在非最大負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出了相當(dāng)一部分多余功率，電能也就白白浪費(fèi)掉了。

由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式我們知道，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，主要取決于電動(dòng)機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。公式為：

式中 n、t、s、f、p分別代表轉(zhuǎn)速、時(shí)間常數(shù)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差、輸入頻率、電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

從公式（1）可以看出，在其他參數(shù)不改變的情況下，降低電源的輸入頻率，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變小，負(fù)載降低，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活所使用的電源，是固定頻率（50 Hz）的交流電。變頻技術(shù)，就是通過(guò)技術(shù)手段來(lái)改變用電設(shè)備的供電頻率，進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備輸出功率的目的。變頻技術(shù)隨著微電子學(xué)、電力電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論等的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，完全成熟的技術(shù)，也使其應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的高潮。它是通過(guò)變頻調(diào)速改變軸輸出功率，達(dá)到減少輸入功率節(jié)省電能的目的[1]。

具體到風(fēng)機(jī)及離心泵等設(shè)備，它們均為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，根據(jù)流體力學(xué)：Q∝n，H∝n2，P∝n3，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

以上分析可以看出，變頻器的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

1）改善了啟動(dòng)性能。由于電動(dòng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，采用變頻器啟動(dòng)時(shí)頻率低，轉(zhuǎn)速也低，啟動(dòng)電流就小，避免工頻啟動(dòng)時(shí)形成的大電流對(duì)電動(dòng)機(jī)、電纜、開(kāi)關(guān)等設(shè)備的沖擊，因此啟動(dòng)性能得到改善。

2）提高了功率因數(shù)。由于變頻器內(nèi)的濾波電容作用，使其具有功率因數(shù)補(bǔ)償功能，從而減少了無(wú)功功率損耗，減小了電流，也減少了線損和設(shè)備的發(fā)熱，提高了設(shè)備的有功功率。

3）提高了控制精度。變頻器調(diào)整的最小幅度為Δf＝±1.5 Hz。使用變頻技術(shù)后，變頻器可以直接通過(guò)改變頻率控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制風(fēng)量，調(diào)整方便。

4）延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。由于使用變頻器，風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率為20～47 Hz，轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)矩小，這樣等于提高了運(yùn)行設(shè)備的安全系數(shù)，有利于機(jī)組的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，也延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的使用壽命。

1.2 變頻器在深冷站投用分析及效益計(jì)算

根據(jù)變頻器原理公式以及流體力學(xué)公式可以推導(dǎo)出變頻節(jié)電公式：

式中：

W——節(jié)電量，kWh；

P——額定功率，kW；

t——運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，h；

f1、f2——分別為變頻頻率和工頻頻率；

d——運(yùn)行天數(shù)。

薩南深冷站共有空冷器5臺(tái)，對(duì)應(yīng)配套電動(dòng)機(jī)10臺(tái)，在2009—2010年檢修改造中，對(duì)這10臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了更換，并匹配變頻器6臺(tái)，我們可以通過(guò)計(jì)算效益來(lái)驗(yàn)證變頻器投產(chǎn)的必要性。

按照設(shè)計(jì)，E0101-E0104每臺(tái)空冷器的2臺(tái)配套電動(dòng)機(jī)配備1臺(tái)變頻器，E0202空冷器2臺(tái)電動(dòng)機(jī)各配備1臺(tái)變頻器，則共需配備6臺(tái)變頻器。在夜間溫度較低時(shí)段，不需要所有空冷器電動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，假設(shè)每天變頻器變頻至35 Hz方式運(yùn)轉(zhuǎn)10 h，每日具體節(jié)電情況見(jiàn)表1。

表1 投用變頻器節(jié)電情況統(tǒng)計(jì)

空冷器變頻器改造效益可分為顯性效益和隱性效益，顯性效益就是指節(jié)電效益。由表1可看出，6臺(tái)變頻器正常投用的情況下，每天可節(jié)電617.58 kWh，按照0.80元/kWh的價(jià)格計(jì)算，每天可節(jié)約電費(fèi)494元，每年可節(jié)約18×104余元。按照每臺(tái)變頻器3×104元計(jì)算，投資回報(bào)期僅為1年。

而空冷器變頻器改造還有較大的隱性效益，主要體現(xiàn)在：

1）實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟軟停，消除了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少了啟動(dòng)電流的線路損耗。

2）消除了電動(dòng)機(jī)因啟停所產(chǎn)生的慣動(dòng)量對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊，大大降低了機(jī)械磨損，減少設(shè)備的維修，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

2000年之前我國(guó)變頻器使用率不足10%，到2009年上半年增加量超過(guò)35%，很多生產(chǎn)商生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)都配裝了變頻啟動(dòng)系統(tǒng)，說(shuō)明這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)越來(lái)越被人們所認(rèn)識(shí)。隨著市場(chǎng)占有率的不斷提高，成本價(jià)格較前些年大幅下降。從使用情況看，只要不超負(fù)荷運(yùn)行，很少發(fā)生故障。

2 結(jié)論

通過(guò)分析我們可以看出，深冷站的空冷器電動(dòng)機(jī)變頻改造無(wú)論從節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益上或是對(duì)電動(dòng)機(jī)、線路的保護(hù)上都有顯著的優(yōu)勢(shì)。在油田生產(chǎn)中，能效比不高，陳、舊、老設(shè)備仍占較大的比重。節(jié)能改造潛力巨大，相信通過(guò)變頻器節(jié)能項(xiàng)目的改造，節(jié)能降耗工作必將邁上更高的臺(tái)階。

[1]劉東旗.變頻器發(fā)展趨勢(shì)研討分析[J].電工技術(shù),2008（7）：34.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.01.013

李瑋，2007年7月畢業(yè)于大慶石油學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，助理工程師，目前任油氣加工二大隊(duì)深冷站電氣技術(shù)員，E-mail：liwei8410@163.com，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司油氣加工二大隊(duì)。

2011-11-28)