摘要：本文对鞍山市燃气系统中变频器的应用情况进行了总结，为现有燃气系统调速控制改造提供了参考和依据。
关键词：变压器；负载率
1 引言
在节能降耗日益重要的今天，无论从国家大力提倡企业降低资源的消耗，还是从企业自身经济利益及其发展的角度讲，节能降耗都是企业的当务之急。调速技术在各行各业的应用带来的节能效果是明显的[1～3]，在燃气供应系统中主要耗电设备是燃气输送类设备(如燃气压缩机和燃气鼓风机)与燃气湿法脱硫净化设备(如溶液泵和空气压缩机)，对其进行变频节能改造是企业的重中之重。
2 变频调节转速的功耗分析
在各类负载中，以流体(气体或液体)的流量作为控制对象的机械占有相当大的比例，例如：风机、水泵、压缩机等等。改变流量的方法一般有两种：电动机的转速恒定，调节阀门(或风门)的开度；阀门(或风门)的开度恒定，调节电动机的转速。在被控流量相同的情况下，两种方法的耗用功率是很不一样的。
(1) 水泵系统调节流量的方法比较
见图1，当阀门全部打开时，供水系统的阻力特性是曲线1；额定转速时，泵的扬程特性是曲线2。这时，供水系统的工作点为A点；流量为QA；扬程为HA；电动机的轴功率与面积0QAAHA成正比。
要使流量减少为QB，主要的调节方法有两种：
① 转速不变、将阀门关小，这时阻力特性如曲线3所示，工作点上移至B点；流量为QB；扬程为HB；电动机的轴功率与面积0QBBHB成正比。
② 阀门的开度不变，降低转速这时扬程特性曲线如曲线4所示，工作点移至C点；流量仍为QB；但扬程为HC；电动机的轴功率与面积0QCCHC成正比。
对比以上两种方法，可以十分明显地看出，采用调节转速的方法来调节流量，电动机所需要的功率将大大减少，因而是一种能够显著节约能源的方法。
(2) 风机系统调节流量功耗比较分析
由流体力学可知，风量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的三次方成正比。当所需风量减少风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降，如所需风量为额定风量的80%，则转速也下降为额
定转速的80%，而轴功率下降为额定功率的从事燃气工程设计、管理及相关研究工作。51.2%，当所需风量为额定风量的50%时，轴功率可以下降为额定功率的12.5%。
当然，转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置附加损耗，即便如此，这种方法的节电效果也是非常可观的。综合以上分析可以看出变频调速是节能方式的最佳选择。
3 变频器在燃气生产中的使用
鞍山燃气总公司每年消耗电量达4.2×106kWh，其主要耗电设备是燃气输送类设备(如燃气压缩机和燃气鼓风机)与燃气湿法脱硫净化设备(如溶液泵和空气压缩机)。可以看出主要耗电设备都是风机和泵类，采取变频调速节能技术进行控制其节能效果非常明显。结合实际情况，选择变频器两种控制方式，一是对供气设备用变频器做闭环调节保持市街管网的压力恒定；二是对燃气湿法脱硫净化用开环控制利用变频器的无极调速功能。
(1) 变频调速恒压系统的基本配置
鞍山燃气总公司使用变频调速恒压系统是用在燃气的输送，以输出压力作为控制对象，见图2。由显示设定控制器输出控制信号接至变频器，变频器输出控制电动机的工作频率，由压力传感器取出信号接至变频器，利用变频器白带的内部PID调节器，与预置的压力给定信号相比较后，经PID调节控制改变电动机的转速。
变频器采用西门子公司的MM4系列变频器，压力变送器采用本质安全型，显示给定器是集显示现场实际压力和设定压力为一体的装置。其工作方式是先将显示给定器的量程设定成与变送器的量程一致，通过改变设定压力，输出与之相应的标准信号，变频器接收该信号并与变送器的信号相比较进行PI控制。
(2) 变频调速恒压系统在燃气供气中的应用
鞍山燃气总公司山南供气站供应鞍钢东鞍山烧结厂有一条专用供气线，在未使用变频器时使用的是30kW的罗茨鼓风机供气，当需要压力调节时工人去开闭旁通阀调节压力，由于时间具有不确定性，加大了工人的劳动强度，同时由于该设备连续运行且距离居民住宅较近，在夏天半夜时的噪音很大，经常有居民投诉。为此，鞍山燃气总公司决定使用变频器恒压控制来保证供气压力稳定，对于噪音的解决办法，考虑选用大的罗茨鼓风机，通过大幅度降低转速来实现噪音的降低，但选用大的罗茨鼓风机同时又要从运行费用方面进行分析。为此在改造之前，鞍山燃气总公司对原有30kW的罗茨鼓风机进行了耗电量分析，发现实际耗电量为17.5kWh。变频恒压改造鞍山燃气总公司选用的是90kW的罗茨鼓风机，调节器安装在操作室内，职工根据调度指令设定压力。无论烧结厂用气量如何变化，均能实现压力的恒定，极大减轻了职工的劳动强度。变频器的实际输出频率仅为17.6Hz，经实际测量使用变频器控制的90kW罗茨鼓风机的实际耗电量仪为18.5kWh。改造后无论是在供气工艺、噪音控制、耗电等方面均达到了理想效果。对交流电动机转速进行变频调节，除具有显著的节能作用、调速性能之外，还能保护附属电气设备，减小电机启动时造成的机械冲击，是理想的节能和控制装置。
(3) 变频节能改造在湿法脱硫系统中的应用
在湿法脱硫系统采用开环控制，在满足生产的前提下调节变频器输出频率，实际频率为溶液泵是40.5Hz、空压机是45Hz。湿法脱硫系统是长期连续运行设备，其节能效果相当明显，耗电量降低了20%左右。
4 变频器在燃气生产使用中的综合效益分析
(1) 提高变压器的负载率
电动机直接启动时电流是额定电流的6～7倍，由于启动电流大对供电容量有较高要求。当由变压器进行供电时，单台电机的容量不能超过变压器容量的1/3；当由柴油发电机进行供电时，单台电机的容量不能超过发电机容量的1/4。这也造成供电容量大于设备容量之和较多的情况出现，使得基本电费增加，同时也限制了供气工艺的改造，不能选用更大电动机容量的设备。当使用变频器控制电动机时，启动电流为额定电流以下，这样在供电容量不变的情况下，可以选用更大的电动机。如鞍山燃气总公司铁西供气站是1997年改建，供电容量为800kVA，由2台400kVA变压器并列运行，主要供气设备功率为2台160kW和1台90kW罗茨鼓风机，实际变压器负载率为60%左右。随着用气量增加原有供气能力已不能满足需要，需要更新为两台250kW的罗茨鼓风机，按照以前的控制方式需要对用电容量进行增容，就需更换成2台630kVA变压器，会造成较大的投资。当利用变频器控制后，考虑到使用变频器启动电机时启动电流是在额定电流以下，就不用对用电容量进行增容，进而节约资金。为此2008年增加变频系统。用两台250kW的变频器带动罗茨鼓风机供气，仍然用原有的2台400kVA变压器并列运行供电，实现了在不增容的前提下提升供气能力，现在变压器负载率为80%左右。
(2) 在天然气供应的应急保证
鞍山市焦炉气与天然气的供应工艺上有区别，焦炉气供应由4个储配站实现环网状供应，天然气是单独储配站支线供应，这样就对天然气的供应提出了更高的要求，一旦电网停电就会造成无法供气的局面。随着变频器推广应用，能否使用发电机带动供气鼓风机运行。天然气储配站配备有1台120kVA的柴油发电机，是作为保证储罐正常运行的后备电源供应，而天然气的罗茨鼓风机是160kW，按常理用120kVA的柴油发电机是决不可能带动的，但考虑到使用变频器时电机启动电流是在额定电流以下，并且罗茨鼓风机属于轻载负荷，故此存在这种可能性。首先，测量电机启动电流，用变频器带动的160kW电机启动电流为160A，低于发电机的额定电流180A，故此认为可以进行一下试验。经过试验，120kVA的柴油发电机可以带动160kW的罗茨鼓风机进行供气。但这种情况旨在维持市街管网的基本压力，无法满足供气设备满负荷运行。
5 结束语
通过使用变频器后，鞍山燃气公司的总耗电量下降了15%左右；实现了全自动控制大大降低了操作人员的劳动强度，减少了设备启停时的电流和机械冲击，延长了设备机组的使用寿命，取得了良好的经济效益。使用变频器启动电机时利用启动电流在额定电流以下的特性，实现了在不增容的前提下提升供气能力，提高了变压器的负载率，并利用该特性提高了天然气供气的可靠性。
参考文献：
[1] 变频器在油田生产中的应用[J].石油石化节能，2009，20(4)：13-14.
[2] 浅谈变频器在焙烧多功能天车的应用[J].2009.3：22-23，7.
[3] 供水系统调速控制改造能耗比较研究[J].科技信息，2009.26：90-91.
(本文作者：马瑛超1 刘延智2 谭洪艳3 1.鞍山市燃气总公司 辽宁鞍山 114002：2.西安秦华天然气有限公司 陕西西安 710075：3.辽宁科技大学资源与土木工程学院 辽宁鞍山 114051)
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