交流變頻調(diào)速技術(shù)在新河新副井凍結(jié)工程中的應(yīng)用

曹化春

（1.中煤特殊鑿井有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室（淮北），安徽 淮北 235000）

交流變頻調(diào)速技術(shù)在新河新副井凍結(jié)工程中的應(yīng)用

曹化春1，2

（1.中煤特殊鑿井有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室（淮北），安徽 淮北 235000）

交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，不僅能使電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有優(yōu)秀的控制性能，且在許多生產(chǎn)場(chǎng)合中，還具有非常顯著的節(jié)能效果。在耗能較高的凍結(jié)工程中引入并應(yīng)用了交流變頻調(diào)速技術(shù)，使用變頻調(diào)速控制技術(shù)比使用前，鹽水泵的節(jié)能介于31.1%～73.3%之間；轉(zhuǎn)速的減慢能減小了鹽水泵的磨損，提高了鹽水泵的使用壽命；同時(shí)對(duì)變頻調(diào)速控制技術(shù)在凍結(jié)工程鹽水泵應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和缺陷進(jìn)行了分析和解決。

變頻技術(shù)；節(jié)能；鹽水泵；流量；耗電量

0 引言

隨著科學(xué)的發(fā)展，變頻器的應(yīng)用更加廣泛，從工業(yè)設(shè)備至家用電器都會(huì)使用到變頻器，可以說，只要有三相異步電動(dòng)機(jī)的地方，就會(huì)有變頻器的存在[1]。使用變頻調(diào)速技術(shù)后，生產(chǎn)機(jī)械的控制精度可大幅度提高，較大幅度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，且能對(duì)諸多生產(chǎn)過程實(shí)施自動(dòng)控制。通過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)，人們認(rèn)識(shí)到：對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，不僅能使電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的控制性能，且在許多生產(chǎn)場(chǎng)合中，還具有非常顯著的節(jié)能效果。交流變頻調(diào)速技術(shù)在楊村風(fēng)井凍結(jié)工程試驗(yàn)中節(jié)能區(qū)間為13%～67%[2]。在全國(guó)節(jié)能減排的大環(huán)境下，新河新建副井凍結(jié)工程對(duì)工程運(yùn)轉(zhuǎn)心臟部位-鹽水泵上引入并應(yīng)用了交流變頻調(diào)速技術(shù)。

1 變頻技術(shù)節(jié)能的原理

交流調(diào)速技術(shù)自問世到現(xiàn)在，經(jīng)歷了幾十年的過程，先后出現(xiàn)了多種的交流調(diào)速方式，直到現(xiàn)在，一些調(diào)速方式依然繼續(xù)在一些生產(chǎn)過程中使用，如：異步電機(jī)變極調(diào)速、定子電壓調(diào)速及轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。三相交流電動(dòng)機(jī)定于繞組中的三相交流電在定子氣隙圓周上產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱同步轉(zhuǎn)速，記為n0，實(shí)際電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n（此處為鹽水泵轉(zhuǎn)速）要低于同步轉(zhuǎn)速，故一般稱這樣的三相交流電動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)。交流變頻調(diào)速的方式即為異步電機(jī)變頻調(diào)速，其基本原理如下[3]。

異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速遵從電機(jī)學(xué)基本關(guān)系：n0＝60f/p。

式中：f為電源交變頻率（HZ），我國(guó)工業(yè)頻率f為50Hz；p為電機(jī)定子磁極對(duì)數(shù)，取值見表1。

電機(jī)極對(duì)數(shù)的取值表 表1

電機(jī)學(xué)中還常用轉(zhuǎn)差率s參量，其定義為：s＝(n0-n)/n0。電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n=（60f/p）（1-s）。

設(shè)定電機(jī)定子磁極對(duì)數(shù)P不變，調(diào)節(jié)頻率f，即可使同步轉(zhuǎn)速n0與實(shí)際轉(zhuǎn)速n得到調(diào)節(jié)，這就是變頻調(diào)速的原理。電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速的公式直觀的表達(dá)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率存在正比的關(guān)系，在鹽水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，電動(dòng)機(jī)極數(shù)作為一個(gè)固定值，不會(huì)任意發(fā)生改變，尤其是在投入生產(chǎn)時(shí)，通過改變供電頻率，就可控制鹽水泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。一般供電頻率處于歸零狀態(tài)或不超過50Hz，常在這個(gè)范圍值上下浮動(dòng)。因此，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在寬廣的調(diào)節(jié)空間，變頻器其實(shí)就是根據(jù)電動(dòng)機(jī)電源頻率的改變來調(diào)節(jié)電機(jī)速度的，通過此種技術(shù)的運(yùn)用，有助于實(shí)現(xiàn)鹽水泵電機(jī)性能的提高，是一種科學(xué)有效的調(diào)速技術(shù)[4]。

2 在新河新建副井凍結(jié)工程中的應(yīng)用

2.1 工程概述

淄博礦業(yè)集團(tuán)新河煤礦新建副井立井工程使用凍結(jié)法鑿井，新建副井凈直徑6.5m，凍結(jié)深度245m，具體相關(guān)參數(shù)見表2。

新河煤礦新建副井井筒凍結(jié)工程相關(guān)參數(shù)表 表2

2.2 變頻控制柜的應(yīng)用

新河新建副井凍結(jié)工程將鹽水泵變頻器投入使用。調(diào)試前，將站內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)組全部減載為0。停止鹽水泵及其對(duì)應(yīng)自耦變壓器啟動(dòng)柜，切換到變頻控制柜，干管去路閥門全部打開，通過改變頻率的方式來改變鹽水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制流量的大小。為安全起見頻率的范圍27Hz～45Hz之間，具體調(diào)試數(shù)據(jù)見表3。

由表2作圖1，由圖1可知：在鹽水泵閥門全開的情況下，使用變頻柜后鹽水泵的流量、進(jìn)線電流與頻率幾乎呈正比關(guān)系。鹽水泵流量與頻率的擬合方程為Q=-49.66077+16.8349f，相關(guān)性系數(shù)為0.99958。進(jìn)線電流與頻率的擬合方程為I=-125.58217+5.76006f，相關(guān)性系數(shù)為0.99468。相關(guān)系數(shù)趨近于1.0，表明上述兩組數(shù)據(jù)是可進(jìn)行線性擬合的。

轉(zhuǎn)速控制方式下，由于在閥門開度不變的情況下，流量Q和轉(zhuǎn)速n是成正比的，比值Q/n不變。閥門開度不變的情況下，通過控制輸入頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量大小。由圖1（b）知：在一定條件下（新河新建副井凍結(jié)工程的鹽水干管去路頭部Ф325變徑Ф377，鹽水泵流量在408～702m3/h之間），頻率與電流幾乎呈線性關(guān)系（進(jìn)線電壓不變）。這樣就解釋了為什么通過調(diào)節(jié)頻率大小來調(diào)節(jié)干管流量，進(jìn)而可達(dá)到節(jié)電的目的。

使用自耦變壓器啟動(dòng)柜時(shí)，是通過掩去路閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量，水泵的轉(zhuǎn)速是不變的。鹽水流量產(chǎn)生的能量消耗在掩上部分的閥門及管阻上，這就產(chǎn)生了電量的浪費(fèi)。使用變頻控制柜，去路閥門全開，調(diào)節(jié)頻率來控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而在管阻不變的前提下控制流量，減小電流，就達(dá)到了節(jié)能的目的。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

由表2得到：鹽水干管去路頭部Ф325變徑Ф377，鹽水泵流量在408～702m3/h之間時(shí)，使用變頻柜與未使用變頻柜的電流差值與未使用變頻控制柜的電流值比介于31.1%～73.3%之間。且根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可看出：流量越小，節(jié)電量就越大。后期維護(hù)凍結(jié)時(shí)，流量如再減小，還有不少節(jié)電的空間，收回成本的時(shí)間就會(huì)更短。

新河項(xiàng)目部用三相有功電表接在變壓器控制柜的低壓開關(guān)上，量測(cè)鹽水泵采用和不采用變頻控制柜時(shí)用電量情況。

①頻率34Hz，流量500m3/h，壓力0.2MPa，用變頻控制柜用電量為1031.6kW·h/d；

②流量不變情況下，使用自耦變壓器啟動(dòng)柜的用電量為 2368.8kW·h/d。一天節(jié)電量為（2368.8-1031.6=1317.2）kW·h/d。使用變頻控制柜比自耦變壓器啟動(dòng)柜的節(jié)電率為55.6%。

新河新副井變頻技術(shù)應(yīng)用參數(shù)記錄一覽表 表3

按照新河礦0.8元/度的用電收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，新河新副井凍結(jié)工程使用變頻控制柜直接節(jié)約電費(fèi)為31612.8元/月。不到70d即可收回變頻控制柜的成本。轉(zhuǎn)速的減慢能減小鹽水泵部件（電機(jī)軸承、葉輪等）的磨損，減少鹽水泵的維修次數(shù)，進(jìn)而提高鹽水泵的使用壽命；維修次數(shù)減少自然節(jié)約不少的人力和物力。

2.4 應(yīng)用中需注意的問題

該變頻柜型號(hào)為：JYSBPK-110，是針對(duì)新河凍結(jié)站使用的鹽水泵（300S-32，流量790m3/h，揚(yáng)程32m，功率110kW）量身定做的。若鹽水泵型號(hào)改變，需定做相應(yīng)的變頻控制柜。同一功率的鹽水泵需對(duì)應(yīng)量身定做不同頻率的變頻控制柜。這是因?yàn)樽冾l器負(fù)載匹配問題會(huì)對(duì)變頻器負(fù)載產(chǎn)生一定影響的是電壓、電流、轉(zhuǎn)矩的匹配，電壓匹配要保證變頻器的額定電壓及其負(fù)載的額定電壓一致，電流匹配要保證變頻器的額定電流與電動(dòng)機(jī)額定電流一致，根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的不同、性能的不同、工藝不同，轉(zhuǎn)矩特性也會(huì)發(fā)生變化，不同變頻器的負(fù)載類型，選擇不同的變頻器[5]。

圖1 使用變頻柜后鹽水泵的流量、進(jìn)線電流與頻率之間的關(guān)系曲線及擬合方程

經(jīng)過調(diào)試和觀察，通過變頻控制柜調(diào)整流量的底線為25.05Hz，流量約410m3/h（鹽水干管去路頭部Ф325變徑Ф377，鹽水泵為110kW）。頻率小于25.05Hz時(shí)，鹽水泵電機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng)。這也是鹽水泵變頻柜在凍結(jié)法施工中使用時(shí)的一個(gè)弊端：不能無(wú)限減小鹽水的流量。

鹽水泵變頻柜安全無(wú)事故運(yùn)轉(zhuǎn)180天，鹽水泵變頻控制柜連續(xù)兩天中午出現(xiàn)掉電故障。經(jīng)過排查，掉電原因?yàn)椋鹤冾l器內(nèi)部溫度過高。發(fā)熱問題變頻器在運(yùn)作的過程中，會(huì)因?yàn)閮?nèi)部元件消耗了能量，而產(chǎn)生較高的熱量，出現(xiàn)變頻器發(fā)熱現(xiàn)象。為有利于變頻器散熱，保證變頻器持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)作，變頻器工作環(huán)境溫度應(yīng)控制在40℃以下，且不低于0℃[6]。實(shí)際施工中將變頻控制柜的后門拆除后進(jìn)行通風(fēng)，安全無(wú)事故運(yùn)轉(zhuǎn)至站內(nèi)停機(jī)。這也說明新河新建副井的鹽水泵變頻控制柜的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)需進(jìn)一步改進(jìn)。

3 結(jié)語(yǔ)

新河新建副井凍結(jié)工程鹽水泵變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用取得了較好的效果，這也是繼楊村煤礦風(fēng)井凍結(jié)工程鹽水泵變頻調(diào)速技術(shù)試驗(yàn)后的第一次推廣應(yīng)用。鹽水泵變頻控制柜在使用中顯露了一些設(shè)計(jì)及技術(shù)本身的缺陷，但利遠(yuǎn)大于弊。該變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用不僅帶來直觀的經(jīng)濟(jì)利益，且根據(jù)工況適當(dāng)減慢轉(zhuǎn)速能減小鹽水泵部件的磨損，如電機(jī)軸承、葉輪等；減少鹽水泵的維修次數(shù)，進(jìn)而提高鹽水泵的使用壽命；維修次數(shù)減少自然節(jié)約不少的人力和物力。變頻調(diào)速控制技術(shù)對(duì)我方凍結(jié)工程節(jié)約電能，減小工程成本有著積極的意義。同時(shí)該技術(shù)還可運(yùn)用于凍結(jié)站內(nèi)的冷凝器風(fēng)機(jī)、清水泵等設(shè)備上。

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TU985.1

A

1007-7359（2016）06-0063-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.024

曹化春(1964-)，男，安徽濉溪人，高級(jí)工程師，主要從事特殊鑿井技術(shù)及施工管理工作。