泰州干式变压器在丰收糖业节能改造应用

一.              概述

在我国的制糖行业中，很多重要的生产设备均为高能耗设备，设备的电力拖动离不开调速，受设计时的技术条件的限制，很多设备的拖动调速在设计时大都采用能耗调节，交流电动机变频调速是在现代微电子技术基础上发展起来的新技术，它不但比传统的直流电机调速优越，而且也比调压调速、变极调速、串级调速等调速方式优越。它的特点是调速平滑、调速范围宽、效率高特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全，运行平稳安全可靠，在生产过程中能获得******速度参数，是理想的调速方式。应用实践证明，交流电机变频调速一般能节电 30%左右，目前工业发达国家已广泛采用变频调速技术，在我国也是国家重点推广的节电新技术。泰州干式变压器应用在制糖工业的风机、水泵、压榨机、离心机等负载，能取得了显著的节能效果。

二．生产供水节能改造方案

1．原供水系统工况

   原供水系统由二路管网系统组成，第一路管网供水水泵六台，水泵电机分别为：110KW五台、75KW一台；第二路管网水泵六台，水泵电机分别为：155KW五台、220KW一台。水泵投切依靠值班人员根据压力进行投切，水压随用生产用水量的变化及泵组的投切变化较大，泵组投切对泰州干式变压器的冲击影响很大，根据生产工艺对水压及流量的要求，需要开回流阀进行调节。

2．变频节能改造方案

   由以上系统工况可知，该系统适于作变频节能改造，改造方案如下：

系统部分采用变频控制，在每一管网上按装压力传感器，即时检测管网水压，根据生产用水量的变化变频控制系统自动调节水泵电机的转速从而控制系统供水量，保证管网水压的恒定。第一路管网由110KW变频节能系统控制两台水泵电机，一用一备，其余四台工频控制；第二路管网由220KW节能变频系统控制一台220KW水泵电机及一台155KW水泵电机，一用一备，其余四台工频控制。改造后节电效果显剧，恒压供水，极大地改善了生产工艺。改造系统控制图如下：

3．变频改造节能原理

(1) 泵类的特性和参数
纯粹用于抽水的功率叫有效功率
有效功率=(1000QH)/(75×60/0.736)=QH/6.11(kW)
式中，Q为流量(m3/min);H为总扬程(m)。
设在扬程内1m3的水的重量为1000kg，因此:
泵的轴功率=(有效功率)/ 泵的效率(kW)
电动机输出功率=(1.05～1.2)×轴功率(kW)
    因泵的扬程大小、泵的型号不同，泵的效率不能一概而定，一般标准泵的大致效率曲线如图2所示。
    鉴于泵的设计与制造方面会有误差，故电机的输出功率应较轴功率计算值有5～20%的裕量，而后根据流量和扬程求出电动机的功率，图3为流量和扬程特性曲线。

图2     一般标准泵的效率     图3  流量和扬程特性曲线

 (2) 管网的水阻特性
    当管网的水阻R保持不变时，水量与过水阻力之间的关系是不确定的，即水量Q与过水阻力h按阻力定律变化，其表达式为:
           
式中，H—过水阻力，R—水阻系数。
H=f(Q)关系曲线为水阻特性曲线，呈抛物线形状，如图4所示。由图4可知，水阻系数R越大，曲线越陡，即过水阻力越大。
 (3) 泵类调速控制节能原理
    由流体力学可知，水量Q与转速的一次方成正比，压力H与转速的平方成正比，功率P与转速的立方成正比。
  
式中: Qe—风机、泵类的额定风(流)量;
 He—风机、泵类的额定压力;
 Pe—风机、泵类的额定功率;
 ne—风机、泵类的额定转速。
    由上面的公式可知，如果泵类的效率一定，当要求调节水量下降时，转速可成比例下降，此时水泵的轴功率是成立方关系下降。
    另根据水泵类的特性曲线与水阻特性的关系曲线也可明显的看出风机、水泵的节能效果。图5为风机、水泵调速节能原理示意图，图中曲线H为恒速下的H-f(Q)曲线，其水阻、风阻特性曲线R1相交与A点。对应的风量为Q1。此时风机、水泵的轴功率Q1AH1Q围成的矩形面积成正比。当欲使风量由Q1减少到Q2使用挡板或阀门时，则新的风阻、水阻特性曲线H相交于B点，此时风机轴功率与Q2BH2Q围成的矩形面积成正比。如果采用调速方法将风机、水泵的转速降到n2使对应的风机特性曲线H与风阻特性曲线R2相交于C点。此时与风机轴功率成正比的Q2CH3Q围成的矩形面积显著减少，说明轴功率下降很多，节能效果明显。

  图4    水阻特性图         图5    水泵调速节能示意图

4． 系统主要功能

1)    恒压供水功能

变频系统内置PID 调节器，管网压力传感器即时检测管网压力并转化为4-20 mA电流信号，直接送入泰州干式变压器模拟电流输入口，设定给定压力值，PID参数值，泰州干式变压器内置PID运算后控制输出频率。系统参数可在实际运行中调整，使系统控制响应快速。管网压力可根据生产工艺任意给定，变频系统自动跟随控制，保持管网设定的压力恒定，既节能又能******地满足制糖生产对水压的要求。

2)    泵组投切指示

系统能即时检测供水管网水压，当现有泵组不能满足生产用水需要或超过生产用水需要时，系统能自动发出投入或切除泵组指示，给出声光投切泵组报警，指示值班人员投切泵组，从而保证生产用水的需要。

3)    工变频切换功能

制糖工业供水系统可靠性要求高，一旦故障会影响对整个生产带来严重的影响，因此该系统设置了工变频切换功能。系统在一般情况下运行在变频恒压供水状态，当泰州干式变压器万一出现故障或例行检修时，可立即切换到工频运行，用原有备用自耦降压启动系统启动水泵，从而保证供水的连续性，整个系统的可靠性能很好地满足生产的要求。两套启动系统电气联锁，可防止误操作，确保系统的安全运行。

5．改造后受益

1)    延长设备及管网使用寿命，减少系统维修工作量。

由于采用变频恒压控制，水泵的启动为软启动，消除了大电机启动时冲击力矩对电机的影响，水泵在启动时的冲击大为减少，同时由于软启动且水压为恒压控制，消除了启动时对管网的水锤效应，爆管现象不再发生。因此延长了原有设备的使用寿命，故障率大为降低，减少系统维修的工作量。

2)    改善供水质量，提高了整个系统的可靠性。

      采用变频恒压控制系统后，可以非常平滑地调节供水压力，值班人员对系统的调整控制更加稳定自如。随着生产工艺的变化，可以很方便地调节系统的供水压力。由于采用新系统后，故障率大为降低，且两套启动系统可以互为备用，保证了系统供水的连续性，为系统经济优化运行提供了可靠保证。

3)    改善工厂的用电状况。

采用变频软启动后，消除了原启动系统启动时对泰州干式变压器的冲击，新系统的功率因数可达0.95，效率可达0.98，系统工作电流大为减小，线路损耗也大为减少，改善了工厂用电的状况。

4)    节能效果显著，经济效益可观。

      原系统运行时为维持水压的基本恒定，除需要不断反复投切泵组外，还需利用回流阀进行小范围调节，水泵的投切除对泰州干式变压器有冲击外还需消耗电能，回流阀调节基本不会减少水泵功率的消耗。采用变频后，变频泵组能自动根据生产所需的水压自动调节水泵电机的转速，保持管网压力的恒定，变频泵组调节即时范围宽，泵组投切次数大大减少，系统节能效果显著，平均下来整个系统的节电率在30%左右，经济效益可观。

5)    减轻值班人员的工作强度

原系统经过改造后，管网水压自动检测控制，回流阀无需调节，泵组投切有声光告警指示，值班人员不会担心因没有及时地投切补给泵组、开启回流阀而导致的水压过低或过高影响生产事故。

三．锅炉变频节能改造方案

1．原系统工况

锅炉共三台，供水由两台280KW水泵组成，两水泵并网由两只电动阀调节进水和回流量；引风机由两台250KW风机组成，两风机并网，独立电动风门调节，风门开度在75%左右；鼓风机由1台160KW风机组成，电动风门调节，风门开度在60%左右，二次风机由一台55KW风机组，风门调节，风门开度60%左右。

2．变频节能改造方案

1)    锅炉给水

原系统给水原理图如下：

由于二台锅炉进水电动阀分别控制，在运行过程，虽然蒸汽并网后压力相同，但由于燃烧过程中存在不确定性，两台锅炉汽包各自的液位就必然存在差异。因此，单用恒液位控制方案不适合。通过给水原理图我们不难发现，要对2台锅炉汽包的液位分别控制，最理想的方案是将1个给水母管向2台锅炉给水的现状彻底改变，将给水系统分开，使每个锅炉都有自己独立的给水系统，再在此基础上加装变频控制，由1台泰州干式变压器单独控制1台锅炉的给水。但此方案不仅改动较大，投资较高，且要停产改造。因此我们设计了采用一套专用于2台(或2台以上)锅炉同时运行时的控制方案，即蒸汽压力和母管给水压力的恒压差控制方案。具体为：用两只压力传感器分别检测蒸汽总管压力、给水总管压力，转换成4-20mA标准信号送到压差变送器，其压差信号经PID调节器与设定值（给定）进行比较后，送到泰州干式变压器控制水泵电机转速，构成闭环控制系统，该方案特点为能在不改变原有系统现状的前提下，更好的利用变频系统，节能降耗，减小系统运行，维护费用，提高原有系统的自动化程度。

2)    引风机、鼓风机及二次风机

    引风机由二台250KW变频系统分别控制二台引风机，鼓风机由二台160KW变频系统分别控制二台引风机，二次风机由一台55KW变频系统控制，与原启动装置并联，原启动装置可作备用，不改变原系统。控制系统图如下：

3．变频改造节能原理

1)    锅炉给水

     原系统给水依靠电动进水阀及回流阀调节，阀门调节增加了管网阻力，是一种能耗调节。变频改造后关闭回流支路，打开调节阀，进水靠变频系统控制调节，减小了给水母管与蒸汽压力之间的压力差，运行时随着锅炉汽包压力的变化，泰州干式变压器水泵转速也随之改变，根据由上介绍的流体力学原理，水量Q与转速的一次方成正比，压力H与转速的平方成正比，功率P  与转速的立方成正比。

式中: Qe—风机、泵类的额定风(流)量;
 He—风机、泵类的额定压力;
 Pe—风机、泵类的额定功率;
 ne—风机、泵类的额定转速。
由上公式可告，变频改造后水泵电机消耗功率随蒸汽压力变化大大减少，节电效果显著。

2)    引风机、鼓风机及二次风机

风机原系统均依靠进风门调节，风门调节会增加风阻，是一种能耗调节方式，变频改造后，进风门全开，风阻大大减少，风量靠变频控制系统控制风机转速来调节，随着蒸汽压力的变化及锅炉内燃料燃烧情况调节风机转速从而控制供风量，根据流体力学原理，风机电机消耗功率与转速的立方成正比可知改造后节电效果显著。

4．改造后受益

1)    节能效果显著，经济效益可观

根据对丰收糖业的实际工况的了解，锅炉供水及供风能有较大的富余，变频改造后节电效果显著，节电率估计可达40%左右，经济效益可观。

2)    改善工厂的用电状况

变频改造后，锅炉风机、水泵电机的启动均由变频软启动，消除了原启动系统启动时对泰州干式变压器的冲击，新系统的功率因数可达0.95，效率可达0.98，系统工作电流大为减小，线路损耗也大为减少，改善了工厂用电的状况。

3)    减轻工作人员的劳动强度

变频改造后提高了整个系统的自动化水平，风压、水压的下降以及软启动延长了设备的使用寿命，减少了设备的故障率，大大减轻了工作人员的劳动强度。

4)    系统可靠性更高

变频改造后减少了操作人员失误带来的故障，每套变频系统均有工/变频切换功率，原有启动系统变为备用系统，增加了系统的可靠性。

四．分离机变频改造方案

1．原系统概况　

分离机是制糖业分离脱水工艺的关键设备，分离机主要由锥体转筒、驱动电机组成，电机轴与转筒直接相连。丰收糖业使用的分离机采用的电机是64-32-8-6极四极电机，最大输出功率117KW。根据生产工艺，电机转速需要频繁切换，多极电机的转速变化是突变的，频繁的升速、降速对泰州干式变压器和机械的冲击较大，带来的后果是维修费用高，停工损失很大。
2. 变频改造方案

分离机采用交流泰州干式变压器驱动普通三相鼠笼电机可满足制糖分离工艺的要求。因此可将原四级电机改接为普通的6级电机，由泰州干式变压器来控制电机的转速，考虑到分离机的机械特性属于恒转矩大惯性负载，应采用恒转矩特性的泰州干式变压器并配置刹车制动单元，选用合适的制动单元，配以一定的制动电阻满足分离机刹车制动的要求。
　　为了能增加工作的可靠性及满足快速刹车制动的要求，泰州干式变压器采用2000 160kW。这种泰州干式变压器具有、低速高转矩输出、AVR自动稳压运行等功能。制动单元采用加能制动单元，该制动单元为加拿大技术，核心器件为进口优质器件，产品稳定可靠。

3. 控制方案

除电机外不改变原系统，因此操作方式也可与原系统一致。变频控制系统采样原系统泰州干式变压器给定速度信号,四个多段速度给定由变频控制系统控制端子输入，变频控制系统输出频率(即电机转速)分别对应改造前的四级时的速度，此速度可由泰州干式变压器控制系统内部设定，改造简单易行。

4.改造原理

1)              三相交流异步电动机调速原理

三相交流异步电动机的转速为：

式中，n为每分钟转速；f为交流电的频率；p为磁极对数；s为转差率。S由负载转矩与电机输出转矩共同决定，不可控，常用的调速方式有变频调速和变极调速泰州干式变压器就是调节f（频率）来调节电机的转速。

2）变频调速与变极调速

    变极调速即改变电动机磁极对数来调速，电动机磁极对数变换需通过改变电机绕组来实现，在电机设计时为综合考虑各磁极对数下对磁通的要求，一般设计裕度比较大，这样电机在各极速下运行效率都不高，功率因数较低

变频调速即通过改变电机工作电源频率来调速，是利用现代电力电子与微电子控制技术实现电源频率的自由变换，变频调速可实现电机无冲击无极调速，由于变频时保持了V/F的恒定，电机的输出转矩能保持恒定，随频率F的调节，电源电压及输入功率也随之调节。

3）制动单元及电阻

A、能耗制动

由于负载较重，加速到980r/min后，要在2分钟的时间内停下来，必须加装容量与泰州干式变压器容量相当的制动单元，制动单元实际上就是一个电压滞环开关。在电机降速时，负载的动能很大，加在电机转子上的电压，给电机提供磁场，电动机变成了三相交流发电机，发电机发的电经逆变桥上的二极管整流变为直流对电容充电。如果电流可以观测，则电流的流向和降速前相反，表明能量由负载返回泰州干式变压器，当电容的充电电压达到710V时，制动单元开关打开，电流流向制动电阻力，电能以电阻发热的形式耗掉。由于能量被消耗，电容电压下降，下降到680V时制动单元关断。只要制动过程没有结束，制动单元就会反复地打开和关断，使负载以平稳的速度，很快地降到零。

B、制动电阻的计算：

在有制动电阻制动的情况下，电动机内部的有功耗损部分，折合成制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%。因此可用下式计算制动电阻的阻值：

式中：UC为制动单元动作电压值，现为710V；TB为制动转矩；TM为电动机额定转矩；N为开始减速时电机的速度，本例为1000r/min。

由制动单元和制动电阻构成的放电回路中，其最大电流受制动单元ICBG最大允许电流IC的限制，制动电阻的最小允许值为：

Rmin＝VC/IC
    因此通常Rmin＜RB（5Ω）＜RB0

C、制动电阻的确定

视电机是否重复减速，制定电阻额定功率选择是不同的，本例中电阻的额定功率为24kW，自然冷却，如果强迫风冷电阻的额定功率可减小。一般制动电阻应采用双线并绕的无感电阻，当然也可用普通的箱式电阻，但需在电阻两端并接一只续流二极管，可使用快恢复二极管，耐压1000V以上。

5. 改造后受益

1） 改善泰州干式变压器供电质量

分离机电机频繁变极调速，带来很大的冲击电流、无功电流严重影响泰州干式变压器的供电质量，加重发电机的负荷，使发电机的输出电压不稳，纹波大，泰州干式变压器供电质量变差。分离机变频改造后，速度切换为软切换，不会对泰州干式变压器带来冲击，发电机工况大大改善。

2） 延长设备使用寿命，节约维修费用

     分离机电机频繁变极调速，会带来很大的机械冲击、切换时所带来的飞弧都会引起设备寿命的缩短，故障率提高，变频改造后故障大大减少，停工损失减少为零，节省大量维修费。

3） 控制平稳、快速、精确

通过变频控制系统及制动单元，可使系统速度切换平稳，制动快速，各动作控制精度高。