英威腾CHH100系列高压变频器在煤气脱硫罗茨风机上的应用
【摘 要】通过深圳英威腾CHH100系列高压变频器在中化平原化工有限公司煤气脱硫罗茨风机系统改造中的应用实例，介绍深圳市英威腾变频技术在节能降耗、提高自动化控制水平方面具有很好的应用前景。
【关键词】高压变频技术；煤气脱硫罗茨风机系统；节能。
一.企业介绍
中化平原化工有限公司前身系山东德齐龙化工集团有限公司，国家大型一档企业，2008年6月由平原县人民政府和中化化肥有限公司重组为中化平原化工有限公司，银行信誉等级“AAA”。公司总资产25亿元，全国同行业排名第三，资产负债率59%，现有职工3300人，其中，大专以上学历人员800人，中专以上学历1600人。公司主要产品有尿素、碳酸氢铵、液氨、塑料编织袋、粉煤灰加气砼块等四大类20余个品种。现有氨醇生产能力为年产100万吨，尿素100万吨。2007年实现销售收入26亿元，利税2.3亿元。
该公司 2007年消耗电力11.0145亿千瓦时，其中外购电力8.1377亿千瓦时，占全部外购能源的近十分之一。企业内部电机系统存在的主要问题是：电动机效率低；系统调节方式落后，大部分风机、泵类采用机械节流方式调节，效率比调速方式约低30%。
二.煤气脱硫罗茨风机系统工艺流程及现状
煤气脱硫风机采用的罗茨风机属于回转容积式鼓风机，它的鼓风量与风机转速成正比，基本不受出风口阻力变化的影响，这种硬风特性决定了不允许通过关闭出风口或进风口的办法来调节风量，而且经过采取优化以上主要工艺环节措施以后，大量过剩风量通过回气阀调节，造成风机能量的大量损耗，而且由于磨损而腐蚀问题突出，回气阀门需要经常维修。工艺流程设备图如下所示：
三.改造方案
变频调速系统由用户开关柜、水阻起动柜、进线柜、CHH100系列高压变频器、高压电机组成。进线柜是由二个真空接触器KM1、KM2和两个高压隔离开关QS1、QS2组成。QS1、QS2用于变频器维护过程中高压隔离。电机以变频方式运行时，QS1、QS2和KM1、KM2闭合，水阻起动柜不工作。电机以工频方式运行时，QS1、QS2和KM1、KM2断开，水阻起动柜工作。进线柜与和水阻起动柜互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。
n 该切换控制方式优点：
² 变频器输入、输出设计有隔离刀闸，便于变频器的维护与检修。
² 该切换控制有两种起动方式,不论那种方式起动运行,都具有软起动功能,不造成对电网冲击.
² 操作方便，可以就地操作，也可远程操作，易于实现自动控制。
4.变频调速系统控制方式
(1)我方提供的CHH100变频器控制方式：
我公司CHH100系列高压变频器在现场采用手动和自动两种方式控制：在检修,非生产时,采用手动控制方式,在正常生产时,采用自动控制方式.
n 手动控制方式
值班电工根据压缩机进口所要求的压力(流量), 通过在远程监控反馈信号,手动调节频率给定信号,从而达到满足风机需要的风量和风压要求。
n 自动控制方式
自动控制方式有两种选择，一是压缩机进口要求控制的压力值由手操器给定(4~20mA电流信号)，压缩机进口反馈信号经压力变送器检测后，再由DCS供给。压力比较和PID运算均由DCS完成，其变换出来信号作为变频器给定信号，以控制电动机转速，使压缩机进口的压力稳定在压力设定值上，达到自动跟踪压缩机进口压力的目的。同时，通过变频器的模拟量输出接口将压缩机进口压力、实际电压、电流、频率反馈到DCS监控系统上。变频器仍然作为一个执行机构，类似挡板特性，只是时间系数需要重新调整，这种调节方式比较简便合理，只需要DCS根据以往的工频调节方式增加变频调节回路，以前的工频挡板控制方式继续保留备用。另一种方式是压缩机进口反馈信号送至变频器进行变换和处理，变频器本身也具有PID功能。实现频率的自动调整,也就是说对风机电机的转速进行控制,以达到根据负荷变化而调整输出功率、稳定压缩机进口压力和节能降耗的目的。根据以往的工程经验，建议采用DCS完成自动调节功能。
(2).高压变频器具有远程和本机控制功能。
高压变频器具有远程和本机控制功能。本机控制时通过高压变频器控制柜上触摸屏可就地人工启动、停止高压变频器，可以调整电机转速、频率。远程控制放在控制室，设有操作台和上位机，由配电工操作控制。通过上位机配电工可以随时了解设备的运行情况，通过操作台可实现对高压变频器进行简单的远方操作。配电工可以根据工况自由选定高压变频器“手动/自动”调速运行。
四.现场运行情况
煤气脱硫罗茨风机所配置的高压变频器（型号CHH100-0900-06，额定电压6KV，额定电流106A）于2009年12月11日开始安装就位；2009年12月15日开始一次调试成功投入运行。装调试周期都很短，为系统的正常生产提供了有利的保证。该煤气脱硫罗茨风机是技改项目,所配套电机和辅助高压配电控制柜及水阻软起动柜.
五.节能效果
1．罗茨风机变频调速节能原理
１.１罗茨风机的理论流量与转子转速的关系式为：
Qth=(丌/2)D²LλN (1)
式中： Qth――理论流量，m³/min D――叶轮外径，m
L――叶轮长度，m N――叶轮转速r/min
λ――面积利用系数；表征风机气缸空间的有效利用程度（圆弧一渐开线型线的面积利用系数λ＝0.563～0.521）
１.２ 罗茨风机的实际流量Q，为：
Q＝Qthη (2)
式中：η――容积效率，一般为0.7～0.9
由（１）和（２）可知，对每一台具体的罗茨风机，其叶轮外径长度和面积利用系数都是一个定值，当可忽略容积效率的变化时，罗茨风机的流量正比于转速．
１.３功率特性
罗茨风机的轴功率为：
P =( QthΔH)/6000β (3)
式中： P――轴功率，KW Qth――理论流量，m³/min
ΔH――风机进出口压差，Pa β――机械效率，一般为0.9
由式（１）和（３）可知，当罗茨风机转速变化时，其轴功率与转速成正比，
１.４转矩特性
罗茨风机的转矩为：
M=9552(P/N) (4)
由于罗茨风机的轴功率与转速在正比，因此式（４）可知，当转速变化时，转矩不变，即罗茨风机属于恒转矩运行．
可见罗茨风机风量Q和电机的转速n是成正比关系的，而轴功率P与转速也是成正比关系。所以当需要80％的额定风量时，通过变频调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40赫兹即可，这时所需功率将仅为原来的80％．
考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，罗茨风机类通过调速控制可节能 10％～40％。
2.节能效益计算如下：
实测节能比较
2009年12月20日在中化平原化工有限公司煤气脱硫罗茨风机现场通过测量仪表进行测量数据如下表:
|
输入电流
|
输入电压
|
输入功率因数
|
运行功率
|
日耗电量
|
|
|
阀门调节
|
91.23A
|
6112V
|
0.76
|
733.97KW
|
17615.28度
|
|
变频调节
|
57.31
|
6110V
|
0.96
|
582.22 KW
|
13973.28 度
|
测试结果表明,
900 KW/6KV煤气鼓风机在阀门调节和变频调节的节能比较如下表:
|
名称
|
数据
|
|
节电率
|
20.66%
|
|
日节能电量
|
3642度
|
|
年节能电量
|
109.26万度
|
|
年度节电效益
|
45.88万元
|
可见，投入一台深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器后，该项目全年节约电费均可达45万元左右。另外，由于深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器功率因数可达0.95以上，大于电机功率因数0.89，减少大量无功。并且实现电机软启动，可避免因大电流启动冲击造成对电机绝缘的影响，减少电机维护量，节约检修维护费用，同时电机寿命大幅度延长。减轻了运行人员的劳动强度，深受运行人员和维修人员的欢迎。
六.结束语
高压变频装置节能效果明显，采用变频调速后，实现了电机的软启动，延长电机的寿命，也减少了管道的振动与磨损；总之，采用了一套深圳英威腾电气股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的CHH100系列6kV/900 kW高压变频器调速装置在中化平原化工有限公司煤气脱硫罗茨风机系统的调速改造中应用是相当成功的。该系列变频器的先进性、可靠性已得到许多工业应用的证实。
参考文献：
[1] 风机水泵节能改造指南 (国家经济贸易委员会资源节能综合利用司编).
[2] 交流电动机变频调速节能技术指南 (国家经济贸易委员会节能信息传播中心编).
[2]《CHH100系列使用说明书》