變頻器在熱電廠燃油供油系統的應用

熱電廠鍋爐點爐及運行中通過燃燒柴油來點爐和助燃的，過程是通過鍋爐前墻油槍噴射出的燃油燃燒完成的，燃油的輸送是從油灌經燃油供油泵通過管道輸送至鍋爐油槍的。原設計中燃油泵采用的是交流異步電機直接驅動（電機在設計時為了滿足最大負荷的要求留有20%-50%的余量）直接驅動，由于電機只能工頻運行，當流量按工藝要求需要變化時，只能通過人為增大或減小閥門開度改變流量或由回油調節改為進油調節，這種控制方式會使泵出口閥門和管道有較大壓損，造成電機效率低、能耗大，供油母管壓力不穩定影響鍋爐的運行甚者發生滅火停爐事故；此外，其啟動電流較大，尤其過大的起動轉矩對電機和傳動機械產生巨大沖擊。為解決這些問題，我們采用德國西門子MM430 型變頻器對燃油輸送系統進行了改造，目的是通過變頻器改變電機轉速來調節管道燃油的流量，節省大量的電能。

二、 變頻器調速的原理及特性

異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f 來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調速方法。

由公式 n＝60f/p（1—s）

可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。

變頻調速具有如下顯著的優點：

（1）由設備設計余量而導致“大馬拉小車”現象，因電機定速旋轉不可調節，這樣運行自然浪費很大，而變頻調節徹底解決了這一問題；

（2）由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻后不再存在；

（3）某些工況負載需頻繁調節，而閥門調節線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻調節響應極快，基本與工況變化同步；

（4）異步電動機功率因數由變頻前的0.85 左右提高到變頻后的0.95 以上；

（5）可實現零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振。

（6）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。對風機、泵而言，流體力學有以下原理：輸出流量Q 與轉速n成正比；輸出壓力H 與轉速n2 正比；輸出軸功率P 與轉速n3 正比；

即：
Q1/Q2＝n1/n2
H1/H2＝（n1/n2）2
P1/P2＝（n1/n2）3

當風機、泵流量需要改變時，如調節閥門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節流量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當電機低于額定轉速時，理論節電為

E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kWh）
式中： n－額定轉速
n′—— 實際轉速
P——額定轉速時電機功率
T——工作時間

可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。

用調節閥門來調節流量時的曲線

靠調節電機速度來調節流量時的曲線

三、輸油系統結構與變頻器調速的運行方式及使用效果

3．1 燃油輸送系統的結構及原理

根據油站工藝結構如圖 所示。

由圖 本系統中由三臺供油泵、一臺卸油泵、閥門等組成，通過就地控制柜及遠程程控控制、上位機操作。

系統中，輸油泵轉速是通過壓力變送器反饋來的4-20mA流量信號（作為PID 反饋信號）送至變頻器且把集控室母管壓力設定信號4-20mA（作為PID設定值）送至變頻器，在內置PID 功能的西門子MM430 變頻器中進行PID 運算，運算結果作為變頻器的運行頻率輸出進行燃油流量的自動調節。當管線內流量低于工藝要求時，反饋信號減小使得輸油泵轉速升高，管線內流量增大直至流量達到工藝要求；反之，輸油泵轉速下降，管線流量減小。由于閉環系統模糊控制的PID 技術，控制系統的精度、功能及使用效果都得到了很大提高。

3．2 變頻調速的運行方式

根據輸油泵運行特點每臺泵都有選擇“工頻/變頻”選擇方式，工頻、變頻電源分開雙路電源，在變頻器故障時保證生產的連續，KM1、KM3、KM5為變頻接觸器，KM2、KM4、KM6和KM1、KM3、KM5之間使用常閉接點實現互鎖，工頻和變頻之間的切換由SA轉換開關實現；為了維修安全，每臺電機裝有隔離斷路器。三臺輸油泵變頻控制根據先投入先投出的原則，三臺輸油泵循環控制，自動加減泵，從而保持母管輸出壓力恒定；當某臺輸油泵長時間運行時，定時切換到其他泵變頻運行。

具體運行方式：

每臺電機有就地/遠程、手動/自動、工頻/變頻選擇方式合理運行系統。A泵投入變頻運行（閉環PID控制：壓力變送器——-變頻器——-上位機形成閉環）；當A泵變頻運行到50HZ時，母管壓力還達不到設定值，處于壓力下限；此時自動啟動B泵工頻運行,A泵閉環PID變頻運行，B泵變頻工頻運行;當A泵變頻運行到50HZ時, 母管壓力還達不到設定值，處于壓力下限, 此時自動啟動C泵工頻運行，A泵閉環PID變頻運行，B、C泵變頻工頻運行；當此時A泵變頻頻率運行到頻率下限時，母管壓力高于設定值，處于壓力上限，此時停止B泵運行，C泵變頻工頻運行，A泵閉環PID變頻運行；當此時A泵變頻頻率運行又到頻率下限時，母管壓力高于設定值，處于壓力上限，此時停止C泵運行， A泵閉環PID變頻運行；當A泵變頻運行到50HZ時，母管壓力還達不到設定值，處于壓力下限；此時啟動A泵，A泵閉環PID變頻運行，C泵工頻運行。就這樣三臺輸油泵循環控制，保持母管輸出壓力恒定，使三臺輸油泵得到合理運用，避免某臺泵長時間運行而出故障，某臺泵閑置，得不到合理運用而浪費。控制系統由PLC實現，增加了系統控制的穩定性。系統的運行指令由集控室發出，控制邏輯由PLC實現。

對于變頻器的功能設定，可預先將啟動及電機數據輸入變頻器。選擇DTC直接轉矩控制并對電機進行ID辨識運行，以辨出電機特性跟蹤尋找電機最優控制策略。

3．3 使用效果

（1）調速范圍寬。一般輸油泵電機正常工作頻率范圍為30-50Hz，而變頻器調速范圍為0-50Hz，可見變頻調速系統完全能滿足生產工藝的要求。

（2）電機啟動無沖擊，運行平穩。原系統只能在50Hz頻率點運行，輸油泵啟電機停時對設備震動較大。使用變頻器后，電機可以從零速啟動，開始輸入的啟動轉矩小，然后才漸漸平穩升速，從而減小對設備的沖擊。

（3）控制精度高。由于采用了實時反饋信號對電機控制，減少了傳統控制人為因素對生產的干擾，提高了控制精度。

（4）靈活性強。由于采用了PLC 技術，在實現和豐富系統功能時，僅通過軟件編程就可容易實現，大大增強了系統的靈活性。

（5）節能效果好。原系統不論生產所需的燃油流量多大，輸油泵電機只能工作在50Hz工頻點上，造成很多電能白白浪費；而變頻器可根據流量燃油變化在0-50Hz范圍內可調，很多工程數據資料都表明，使用變頻器后可普遍節電約30%[3]。可見，具有很好的節能效果。

4 結語

由于變頻器技術先進、功能齊全、節電效果顯著，因此是一種理想的調速控制方式；尤其應用于風機、泵類設備的控制，既提高了設備效率，又滿足了生產工藝的要求，經濟效益十分明顯。另外，配以PLC 和計算機等，可根據需要很靈活實現其它較復雜的控制，使設備的自動化程度得以進一步提高。