变频器在工业上的节能应用
前言:大多数电气动力设备在设计初期为了保证生产工艺系统的可靠性，各种生产工艺设备在设计配套的动力设备时，都留有很大的富余量。同时，很多设备在使用过一段时间后，发觉当前设备在使用中还存在一些问题，为了更好的解决这些问题配合生产，红山球团工贸有限责任公司从2008年初开始对一些动力设备新增变频器。
根据实际情况需要增加变频器的设备有：煤气车间大倾角皮带、煤气循环水泵、生球筛分小皮带、烘干助燃风机、竖炉循环热水泵、布袋除尘抽风机。
1、煤气车间大倾角皮带和竖炉生球筛分小皮带的变频改造
（1）燃气车间焦2#大倾角皮带自2006年7月份使用至2008年初，由于设计不合理，托轮对皮带损伤严重，其设备作业效率很低，而且增加了设备维修率，也降低了维修成功率，公司决定对焦2#大倾角皮带托轮支架、雨棚等进行更新改造，同时也要求新增加变频器，降低大倾角皮带速度，保护托轮对皮带损伤。
大倾角皮带电动机功率：22kW，额定电流：43.2A，额定电压：380V。在未上变频器前，实际运行中电流I=38A，所以可以得出：
P前=√3IUcosφ=1.732×38×0.38×cosφ=21（kW） cosφ假设为1
安装上变频器后大倾角皮带速度减到原来的一半，满足了上焦的要求也防止皮带速度过快时造成对皮带的损坏。在日常的使用过程中变频器电流频率为：26Hz，电流为23A，由此可以得出安装变频器后电动机的转速降为了原来的52%。因为电动机的输出功率与转速有关：
Pm=TmNm/9550
P后≈nPm=0.52×21≈11（kW） 其中n为电动机实际转速
则一年的用电量节省:(21-11)×24×330=79200(kWh)
2008年上半年的平均电费是0.52元/ kWh，即一年可以节省0.52×79200=41184元。
（2）生球筛分小皮带是双层圆辊筛的组成部分。其主要作用是将圆盘造球机造出的不合格生球破碎。在破碎过程中，不合格生球的直径较大，破碎的能力相对较弱，其次小皮带输送的物料不太多, 不论生产的需求大小，皮带都要全速运转；为减少机械和皮带的磨损，节约能源，鉴于目前变频调速技术所具有的卓越的调速性能和显著的节电效果，也对1#、2#生球筛分小皮带电机进行改造。其中生球筛分小皮带电机额定功率1.5kW，额定电流3.7A，正常运行时2.1A。上变频后运行频率20.9Hz，电流为1.6A。计算如下：
P后≈nPm=0.43×1.5≈0.7（kW） 其中n为电动机实际转速
则一年的用电量节省:(1.5-0.7)×24×330=6336(kWh)
2008年上半年的平均电费是0.52元/ kWh，即一年可以节省0.52×6336=3294.72元。同时,安装上变频器后,皮带速度减半,同时对皮带的损伤也大幅度降低了。
2、煤气循环水泵与竖炉热水泵
（1）煤气生产过程中，需要循环水对煤气进行洗涤冷却。循环水泵是煤气生产工艺中的重要设备，循环水泵不能调速，利用出口阀门来控制水流量和管网压力，由于循环水泵的选择是按最大负荷情况来选型，而在实际运行中循环水泵留有较大的余量，冷却水的流量与压力是通过冷却水循环泵出、入口联络管上的调节阀来进行调节，从而造成电动机运行效率较低，造成电能浪费，为降低生产成本，因此，公司决定对煤气循环水泵进行变频调速节能改造，以解决能源浪费问题。
循环泵运行电流约为70 A，额定电流为102.5A，额定功率55 kW。
则没上变频器前P=√3IUcosφ=1.732×70×0.38×0.85=39(kW)
上变频器后循环泵运行电流为57A，频率38Hz即76%，变频器效率为96%，负荷率41%，则平均运行负荷为；55 kW X41%=22.5 kW，年经济效益为循环泵年节电量： (39-22.5)×24×330=130680(kWh)，平均电费是0.5元/kWh，即循环泵一年可以节省0.5×130680=65340元。
（2）竖炉的热水循环水泵也是不能调速，而是利用出口阀门来控制水流量和管网压力，由于循环水泵的选择是按最大负荷情况来选型，而在实际运行中循环水泵留有较大的余量，循环水的流量与压力是通过循环泵出、入口联络管上的调节阀来进行调节，从而造成电动机运行效率较低，造成电能浪费，为降低生产成本，我司也对热水循环泵进行了变频改造。
一期热水循环泵是3备两用，额定电流35.9A，额定功率18.5kW，额定cosφ为0.97，运行电流约为28A。
则 P=√3IUcosφ=1.732×28×0.38×0.97≈17.9 (kW)
上变频后热水循环泵运行电流为15A，频率30HZ，变频器效率为96%，负荷率为η，η=λ（n1/n2）2/0.96=1.15×（0.6）2/0.96≈43%
则平均运行负荷为；18.5kW×43%≈8kW，年经济效益为循环泵年节电量：(17.9-8)×24×330=78408(kWh)，平均电费是0.5元/ kWh，即循环泵一年可以节省0.5×78408=39204元。一期2台水泵节省78408元。
二期热水泵额定电流：70.5A，额定功率37kW，额定cosφ为0.80，运行电流约为52A
则 P=√3IUcosφ=1.732×52×0.38×0.8≈27(kW)
上变频后热水循环泵运行电流为30A，频率38Hz即76%，变频器效率为96%，负荷率为η，η=λ（n1/n2）2/0.96=1.15×（0.76）2/0.96≈70%
则平均运行负荷为；18.5kW×70%≈12.8kW，年经济效益为循环泵年节电量：(27-12.8)×24×330=112464(kWh)，平均电费是0.5元/ kWh，即循环泵一年可以节省0.5×112464=56323元。一期2台水泵节省112464元。
3、烘干助燃风机和布袋除尘抽风机
变频调风节能效果显著，根据流体力学原理，风机负载的流量Q与转速N成正比，而所需功率P与转速N的三次方成正比。因此当风量小于额定风量时，改变电机转速，起功率明显下降。
风机工作效率：ηp=C1（Q/n）-C2（Q/n）×2 其中Q为风量，n为转速，C1和C2为常数。
（1）烘干系统使用的离心鼓风机为：9-19NO.16，进口流量：255780m3/h，进口压力：83.297kPa，配套的电动机为Y315S-6,额定功率：75kW，额定电流141A，平时运行时68A。 根据生产需要对烘干的压力、风量、温度等指标进行控制和调节以适应烘干工艺要求和运行工况。而采用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整压力、风量等指标。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。75kW风机在装上变频后，风机平时运行25.3Hz，电流为26A，其工作转速为额定转速的50.6%，风量为12000 m3/h，压力为2.3kPa，考虑到各种损耗以节电20%计算。
烘干风机年节电量W=75kW×330×24×20%=118800（kWh），同样以平均电费0.52元/ kWh计算，每年可以节电61776元。
（2）布袋除尘抽风机同样是采用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整压力、风量等指标。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。布袋除尘抽风机电动机额定功率为132kW，额定电流232A，平时运行电流为96A。上变频后，运行带暖流为48A，频率48.3Hz，转速为92%。考虑到各种损耗以节电20%计算。
布袋除尘抽风机年节电量W=132kW×330×24×20%=209088（kWh），同样以平均电费0.52元/ kWh计算，每年可以节电108725.8元。以上是以节能按20%计算，根据实际节能范围（20%～60%）所以节能空间很大。
这次变频改造一共安装了9台变频器一共花费近20万元（199615.2元）,这9台动力设备一年能节省电量：610732kWh。具体如下表所示：
上变频后参数对比
经济效益对比，选取2007年12月和安装变频器后2008年8月进行对比，这两个月的设备运行效率和生产效率都在95%以上。如下图所示：
由上图我们可以看出大倾角皮带和煤气循环水泵在计量电量时归属一期煤气炉平台系统中，其主要耗能设备就是上焦系统和循环水泵，2007年12月与2008年8月实际用电情况上变频后节省了41%的电量。而竖炉系统时主要生产工艺系统，耗电设备较多，总的来说也比未安装变频前节省电量5%。比较直观的还有烘干混匀间的烘干助燃风机，其中烘干混匀间最主要的耗能设备就是烘干助燃风机，从表上可知比起2007年节省28%的电量。两年中的这两个月都是全厂生产效率最高的两个月，其中2007年12月生产球团79958t，2008年8月生产产品球团84766.01t，但从上表看2008年8月比2007年12月节省电量7%。按这两个月节省来看，理想状态一年可以节省143759×12=1725108(kWh)，和上统计算得装上变频器后一年节电610732kWh相差了一半多，说明了变频器在使用中还有很大的节能空间。
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