系统思考变频器的使用

2006/06/19 　　　来自： 中国数控机床网

　　 1、引言

    变频器行业的盛会《第四届变频器行业企业家论坛》暨《变频器世界》创刊八周年庆祝大会于2005年12月23～25日在我国改革开放璀璨的明珠深圳市隆重召开了。变频器业界的专家、学者、企业家、用户共聚一堂，历数我国变频器行业一年来取得的骄人成绩。虽然我国变频器市场仍旧是欧、美、日十大品牌占据主流，但我国变频器的十大品牌正在迅速的崛起，高水平的高压变频器已经能和国外的品牌匹敌，并且占有的市场分额逐年迅速增加。这是令变频器业界击鼓相庆可喜可贺的大事。但是我们也应当清醒的认识到，和欧美、日产品相比，我国变频器的产量、质量、品种和生产厂家的规模的差距还是不小，业界的同仁们应当利用我国正在大力提倡建设节约型社会、创新型国家的东风，缩小和欧美、日产品的差距。

    随着变频器在各行各业的深入应用取得了令人瞩目成绩，也获得了显著节能效果、经济效益、环境效益和社会效益。然而综观《变频器世界》发表的一些应用一类的文章，在变频器这个专业模块范围内考虑的问题多，从变频节能系统整体层面上考虑的问题少，弄不清楚整个系统真实的特性是什么，也不怎么清楚变频器在整个系统的地位和作用，因而在一些项目中，变频器仅仅起到了掩饰水泵、风机容量选择过大的节能作用，而没有从理论上根本解决系统节能的实质问题，或者仅仅把变频器降格为一个挡风板的作用，花了很多投资上了变频器，而没有把变频器的作用发挥到极致。这不利于我国变频事业的健康发展。我觉得业界同仁们对于变频器的正确应用必须给以充分的重视，应用变频器产生极致的效益，是变频器发展的终极目的，也只有变频器应用正确、可靠、顺利，才能对广大用户产生更大的吸引力，变频器的市场才会有做大做强的巨大商机。我国每年节能服务市场的规模约有1200亿，外国巨头早就觊觎我国节能服务市场，他们已有大的举措，我们已经听到了这些巨人嗵嗵的脚步声，同仁们，形势紧张，机不可失，时不再来，让我们携起手来，为我国变频器事业蓬勃发展、为我国2020年达到全面的小康水平而努力奋斗！

    2、变频器在系统中的作用

    变频器在实际使用中是以一个子系统的角色容入大系统中进行协调运行的。如在图1的负反馈控制系统中，变频器和电机、风机或水泵一起作为控制系统的执行器，并和传感器、调节器及被控对象共同构成一个完整的控制系统整体。控制系统的性能取决于系统的结构，即控制系统的四个环节之间的相互联系、相互影响和相互制约也就是相互关联。各个环节局部都优组成的系统整体不一定最优，反之系统整体最优不一定要求每个环节局部最优。大部分变频器应用都可归结为这种运行模式。这就是说如果控制系统的四个环节不匹配，即便是变频器的性能再好，也显示不出来。

图1 变频器在控制系统中的作用   

    从图1可以看出，变频器构成的控制系统，跟踪的是与系统变化过程特点密切相关的特征参数θa，以克服干扰f造成的影响，而不是相关性很弱的其他参数。笔者在工程上曾见过这样的案例:在一个空调箱中，变频器不是跟踪反映负荷变化的特性参数，而是跟踪和负荷变化不相关的过滤器两侧的阻力降，变频器形同虚设，根本起不到跟踪负荷变化节能的作用。变频器和电动机、水泵组成的执行器环节的实质是变能量流，跟踪什么参数变，这是我们设计变频变流量节能系统应该特别要注意的。

    3、变频器在火力发电厂应用节能案例剖析

    图2是变频器在火电厂的应用方案图。在这个方案中只是突出了高压变频器(HVIN)、变压器P.T)和高压电机(M)组成的控制回路中的多半个环节，而没有说明高压变频器在控制系统中的位置和作用，因此有可能把高压变频器的功能发挥不到极致，取得最好的节能效果，或者使变频器降格为仅仅起到一个挡风板的作用，而没有发挥变频器应有的作用。

图2 变频器在火电厂的使用方案  

    实际在电厂的风机、水泵处在的位置不同，用变频节能改造取得的节能效果也是不同的。

    图3是火力发电厂生产流程示意图。在火力发电厂中的风机、水泵配置的电动机基本上都是超过250kW的高压电动机，因此变频变流量节能应用都需要高压变频器。但生产流程中处在不同位置的风机或水泵，和高压变频器组成的控制系统跟踪的目标是不同的，节能的效果也是不同的。

图3 火力发电厂生产流程示意图

    如图3中的循环水泵8。因冷却水受发电负荷、气候的影响，冷却水温会发生变化，从而影响冷凝器4的冷凝压力并波及汽轮机3的出力和效率，即影响发电机18的出力和效率，因此循环水泵8和高压变频器组成的控制系统应当跟踪的是冷凝器4的冷凝压力，以克服发电负荷、气候变化对发电效率的影响，保持发电机组在变工况的高效运行，同时由于控制系统能够根据发电出力和气候变化自动调节冷却水量，冷却泵8也以最小的能耗，实现了发电系统的高效运行，自身也得到了最大的节能效果。

    又如，图3中的引风机17，分析它和变频器构成的控制系统跟踪的应是锅炉炉膛21的负压恒定，以保证在发电变负荷、大气压力随气候变化时变锅炉的高效燃烧，从而保持发电系统变工况时的高效运行。

    再如，图3中的送风机15，分析它和变频器、蒸汽用量传感器、煤量传感器构成的复合控制系统跟踪的应是锅炉燃烧的风煤比，以保证在发电变负荷、大气压力随气候变化时锅炉的高效燃烧，从而保持发电系统的高效运行。

    分析引风机17和送风机15的变频变流量控制系统都基本上是定压变流量系统，这是风机、水泵节能工程中最常用的模式。虽然从理论上可以证明定压变流量节能模式是不节能的，但如果它服从整个发电系统高效运行的整体目标，以最小的代价实现整个发电系统的高效运行，发电系统总体上仍是节能的，它为系统的整体节能目标做出了贡献，也就发挥了变频器的极致作用，取得了优良的节能效果。同时由于风机、水泵配置容量比实际的需求容量普遍偏大(至少大30%)，变频器的使用也有掩盖这个缺点取得“遮丑”的节能效果。

    4、变频器在油田注水采油应用节能案例剖析

    在油田采油的后期，储油近于枯竭，为了提高油田的产能，普遍采用注水采油技术。

    注水采油靠向含油层注入按比例加入阻垢剂、粘土稳定剂、缓蚀剂、化学驱油物质等化学原料处理过的混合水溶液，利用水淹含油层，在水的驱动下，石油和水一起被带出。图4为油田注水采油综合用能流程图。图4上的P2为高压注水泵，为了节能采用变频调速。

图4 油田注水采油综合用能流程图

    注水采油率:大庆(4.0m3水/吨原油)， 靖边地方油田(17.4m3水/吨原油)，每口注水井大概控制含油面积0.3~1.2k m2、大约控制2口采油井，注水量30~50m3/d。由于含油层的地质构造千差万别，它的水渗透系数有很大的不同，同时随着采油的时间的变化，含油层的地质构造的水渗透系数也发生变化，因此从注水泵回路分析来看，相当于注水泵的负载阻力特性随含油层地质构造的不同和采油时间的变化而变化。对一个采油地区一段注水时间内，采单位重量原油的注水量基本恒定，所以这个系统跟踪的目标应当是水泵注水量恒定，才能保证注水采油的采油量。但随含油层的地质构造的水渗透系数的变化，对注水泵来说，工况点也要发生变化，为了保证注水泵在任何情况、任何频率下都在最高效率地运行，从系统思考的观点，应当在注水泵的出口增加一个阀门，作为调整注水泵工况点的补偿环节。要知道水泵回路阻力并不是越小消耗的动力越小，而是要回路阻力和水泵的特性相匹配，使水泵处在最高效率点工作，加上变频器控制系统跟踪注水流量恒定反馈控制，才能使变频节能的系统发挥到极致。

    从图4也可以看出，给注水泵实现变频节能控制，只是注水采油节能系统中的一个环节，其他环保、节能的项目也应该一并考虑。如油水分离后的含油水，应当经过污水处理器处理后循环使用，否则含油污水乱排，很可能待油田寿终正寝后，留下的只是狼藉满地、一片污染的不毛之地。注水循环使用也可以减少地下清水的开采量，减轻地下含水层的采水量的负担。

    又如，经过污水处理器处理过的中水，估计有30~40℃，每吨水含有23.3~34.9kWh可回收热量，供给加热热水或采暖供热，100m3/h的回水大概可以供给面积为2~3万m2住房、约200~300户家庭的采暖需求。如果把不经热回收的热水再注入地下，这部分热量就白白流失了。如果增加热泵热回收机组CH1，就可以达到热回收的目的。

    从上面的分析可看出，变频器组成的控制系统，是以一个有机整体的面貌出现的，只有这个整体运行协调，并时刻服从更大系统的总体目标，变频器的功能才能发挥到极致，才能取得明显的节能效果。“系统是物质世界存在的基本形式和根本属性。”系统是一个活生生的统一的有机整体，而不是冷冰冰的机器堆积物。系统具有生物属性—有序、和谐、自然、均衡，有生命过程。我们应当遵从世界是按系统的模式运动的客观规律，应用“系统思考”的理念处理变频变流量节能的问题。只有牢牢树立符合客观规律的“系统思考”的意识，才能清楚地定位变频器在系统中正确的角色和作用，使变频器融入系统中并和“左邻右舍”共同构成有机的系统整体，变频器的功能才能发挥到极致，变频变流量系统才能取得最大的节能效果。我们遇到的变频变流量节能系统一般都是复杂的大系统，“系统思考”的理念是处理好当今复杂大系统工程惟一正确的、可行的正确理念。我想，随着时间的推移和用“系统思考”理念剖析变频器的实用案例的增多，“系统思考”理念是会很快被人们接受、熟悉，并在我国节能服务市场上大显威力的。

    5、结束语

    (1) 变频器的应用是融到系统当中的，变频器和电机、水泵共同组成控制系统的执行器这个环节。单从变频器专业模块考虑变频器的应用不利于变频业的健康发展。

    (2) 变频器的节能效果，取决于变频器构成的整体系统的结构和性能，单在变频器这个专业模块范围内考虑问题，变频器不能发挥其极致功能。我们应当遵从客观规律，用“系统思考”的理念来推行变频器的应用。