在液体化工行业中,变频器通常被应用在低压电机上,其目的主要是节能,而不是调速,因为液体化工行业的电机主要控制增压泵和风机,特别是增压泵占液体化工行业低压电机的909%以上,是液体化工行业用电量最大的部分。
使用变频设备有两个主要方面:
1、在用于恒转矩和恒功率负载情况下的速度控制,速度控制功能满足控制要求。在这种情况下,在设计和选择设备之初就考虑因为是以实现控制策略为目的,所以其选型与电机高度兼容,也有可行的案例和以往的经验可供参考。
2、以节能为目的使用变频设备近年来越来越流行,在液体化工等行业得到了广泛的应用。不仅是考虑用于新建设备的电机控制,在用的老生产设备也陆续进行了改造,目的是节约重复使用电机的能耗。由于我国液体化工行业基数大,在用设备多为低压电机,效率较低。
液体化工行业使用的泵对速度控制没有特殊要求。从工业生产方面来说,现场泵的运行速度与生产控制无关,而是用来调节电机转速的。那么速度和节能有什么关系呢?这适用于控制模式,即U/F=常数的比例控制。从能量方面来说,这种控制方式使电机的电压随着频率的降低而降低,从而使电机的功率变小,实现节能。
液体化工生产控制的经典模式是电机带动增压泵对被控流体加压,液体通过管道中的调节阀控制流量和压力,然后到达下一个生产设备,实现安全稳定的自动化生产。
从流体力学的角度来看,液体流经管道和阀门,尤其是调节阀时,需要克服流体的机械能。消耗的机械能占很大比重,电机消耗的能量浪费在液体输送过程中。从节能的角度来说,这方面还有提升的空间。
液体化工生产中的电机容量,在设计选型时是根据工艺的最大生产负荷来选择的。在正常使用中,由于生产负荷和物料的变化,经常出现大马拉大车的现象,在液体输送中消耗电能转化成的液体机械能。这时,如果能降低电机的功率,甚至可以更换工艺管道中的调节阀,使泵出口的液流压力刚好能满足后续生产设备的要求,那么就可以节省很多不必要的功率损耗。
U/F=通用型设备的功能正好可以满足这个条件,所以实现了变频调速液体化工能耗的匹配,所以被广泛应用于旧设备的节能改造。
用变频器代替在线生产的控制调节阀,既能达到节能的目的,又能满足生产控制的要求。因此,需要将变频器+电机引入自动控制策略的PID控制中。因此需要引入4-20mA控制信号,实现4-20mA信号与设备0-50HZ的对应关系。即4mAh设备输出时控制信号的频率为0Hz,20mAh设备输出时对应的频率为50Hz,与传统控制策略相同。
但是在实际使用中发现了一个很大的问题。
根据电机调速原理:频率与速度成正比,轴功率与转速的三次方成正比;根据流体力学原理:液体流量与转速成正比,压力与转速的二次方成正比。
当用VFD+电机代替调节阀时,管路中液体流动返回的信号与频率成线性对应,但液体的压力对应的是频率的平方,即频率降低刚好满足液体的流量控制,但液体压力的降低大于流量的降低。
如果流量调节的减少幅度过大,那么压力就会衰减太多,导致液体压力达不到下游生产设备,造成增压泵的真空被破坏,增加泵内叶片间流体的磨损,损坏增压泵,还会造成电机干磨无输出,造成能量的极大浪费。
比如10米高的建筑,自来水的压力至少需要1kg才能到达顶楼。如果用VFD控制顶楼的自来水流量,如果顶楼没有水或水很少,那么接收到的控制信号将接近4mA,导致输出接近0Hz,导致电机转速变慢,这将使VFD的输出接近0Hz
如果小于1kg,顶楼自来水管道没有自来水。此时电机还在运转,浪费电能,损坏泵的叶轮。这个时候控制VFD的流量是没有意义的。只有当变频电机VFD的增压泵出口压力超过1kg时,才对自来水的流量控制产生实质性的作用,所以变频设备在一定区间内将失去节能功能。
这种问题在工厂的石油生产设备的维护和修理中也有发现。控制塔底液位的抽水泵在生产中会不时出现抽不进去的情况。水泵保养是否频繁并不能排除故障。最后通过观察、实验、分析,得出VFD输出频率低导致抽水泵真空损坏,引发故障的结论。通过设置下限输出频率和调整以对应于4-20mA的输出频率范围,解决了这个问题。后来工厂在用的低压型号的输出下限都设定好了。由于控制的泵的后续过程的垂直高度和管道不同,泵出口的最低压力值也不同。
通过关闭泵出口达到设定压力值,找到每台泵的最低工作频率,最终实现设备输出的最佳频率范围。从现场使用来看,工厂的增压泵VFD的工作频率范围基本在16-41HZ之间。
除了频率范围外,还应该设置一些功能。对于涉及自动控制的变频器+电机泵,应设置自动重启功能,使其电机在厂内电压波动、晃动后能自动启动并尽快恢复生产。
如果变频设备在厂内使用较多,厂内电网的谐波干扰,操作过电压,雷雨天气都容易烧毁设备。因此,安装过电压保护器是一种很好的保护措施。以上是变频设备在使用中的理解,重点是应用于加压泵电机的VFD要根据不同的生产工艺设定在合适的频率范围内,否则输出不起作用,对于生产、设备寿命、节能都是一个缺陷。