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一項劃算的投資——增效節(jié)能的變頻器

http://www.henanjusheng.com 2009-09-30 09:48 來源:控制工程

  變頻器(VSDs)調(diào)控電機(jī)、泵、攪拌機(jī)、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的速度,使其與流程需要相匹配。在許多應(yīng)用場合,變頻器節(jié)能效益非常好,僅需要幾個月就能收回投資。對環(huán)境影響評估的新方法表明控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,變頻器環(huán)境投資回報時間更短,在許多情況下,只需一兩天時間。

  交流變頻器把來自電網(wǎng)的固定電壓和頻率按照電力控制信號轉(zhuǎn)換成可變的電壓和頻率。頻率的變化使配備傳動的電機(jī)速度(和扭矩)產(chǎn)生相應(yīng)變化。這意味著,電機(jī)的速度,以及電機(jī)所驅(qū)動的設(shè)備速度,均可根據(jù)流速或溫度等外部參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

  速度調(diào)控可大幅提高整個電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率。在常規(guī)的泵和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中,電機(jī)全速驅(qū)動泵或風(fēng)機(jī),然后再采用閥門、節(jié)氣閥或類似的“節(jié)流”裝置,對輸出進(jìn)行限制,從而實現(xiàn)所需的液體或氣體的流速。系統(tǒng)全速運轉(zhuǎn),然后限制其輸出,

  顯然這樣的效率非常低。實踐證明,適當(dāng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可相應(yīng)降低能耗。根據(jù)泵和風(fēng)機(jī)性能的相似定律,相比于全速運轉(zhuǎn),以80%速度運轉(zhuǎn)的泵,只需使用64%的能源和50%多的電力。

  利用變頻器調(diào)控速度實現(xiàn)節(jié)能減排,其應(yīng)用范圍極其廣泛。泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、擠壓機(jī)及其它電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域的電力消耗占整個工業(yè)的三分之二,占世界用電總量的40%。但目前配備變頻器的電機(jī)不到10%,其中,2.2kW以下的電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,多達(dá)97%的電機(jī)根本沒有使用任何形式的速度控制。據(jù)估計,如果整個歐洲大陸的電機(jī)驅(qū)動都使用變頻器,每年總計可節(jié)省5,000萬MWh的電力。這相當(dāng)于減少2,500萬噸二氧化碳1)排放,或芬蘭全年四分之一的排放。

  回報期

  由于投資成本、能耗減少以及電力成本可以獲得,所以變頻器的經(jīng)濟(jì)效益比較容易計算,投資回收期因此也容易計算。但要對變頻器的環(huán)境影響進(jìn)行量化,則比較復(fù)雜。研究產(chǎn)品制造、使用和處置的環(huán)境影響,一般使用生命周期評估法(LCA)。ABB根據(jù)ISO14000環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)的要求,開展產(chǎn)品生命周期評估工作。生命周期評估涵蓋產(chǎn)品生命周期的所有階段:從原材料和零部件的生產(chǎn)到產(chǎn)品的最終處置。首先收集所有相關(guān)的輸入和產(chǎn)出數(shù)據(jù),然后,將這些數(shù)據(jù)與全球變暖和臭氧損耗等環(huán)境影響類別進(jìn)行比較。影響類別的選擇取決于生命周期評估的目的,變頻器最常用的評估類別詳見圖1。為了降低環(huán)境的不良影響,需要找出影響最大的區(qū)域,然后加以解決。這樣,生命周期評估研究,就可列舉出環(huán)境設(shè)計及環(huán)?;O(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)實踐的重要性。

  注重環(huán)境影響

  環(huán)境產(chǎn)品聲明(EPDs)以生命周期評估的信息(或結(jié)果)為基礎(chǔ)。環(huán)境產(chǎn)品聲明描述了產(chǎn)品在制造、使用和廢棄處置階段對環(huán)境所造成的最重要影響。這些數(shù)據(jù)經(jīng)獨立第三方機(jī)構(gòu)認(rèn)證,具有可信度。ABB出具所有核心產(chǎn)品的環(huán)境產(chǎn)品聲明,包括變頻器,以及由環(huán)境產(chǎn)品聲明提供的與ABB的250kWACS800工業(yè)傳動相關(guān)的資源利用、能源消費和損失以及排放等方面的信息,詳見圖2至圖4。  

  由于數(shù)據(jù)以轉(zhuǎn)換單位形式表示(圖2至圖4所示數(shù)據(jù)為1kW額定輸出功率),因此環(huán)境產(chǎn)品聲明可以讓用戶直接比較不同產(chǎn)品的環(huán)境性能。環(huán)境產(chǎn)品聲明也促使制造商努力提高產(chǎn)品的性能,以便確立環(huán)境性能基準(zhǔn)。

  盡管環(huán)境產(chǎn)品聲明關(guān)注對環(huán)境的影響,卻忽略了改用效率較高產(chǎn)品(如傳動)對環(huán)境帶來的好處。例如,根據(jù)圖2至圖4所示的環(huán)境產(chǎn)品聲明,ABB工業(yè)傳動在使用過程中產(chǎn)生的環(huán)境效益最大。實際上,與電機(jī)全速運轉(zhuǎn),然后限制輸出的方式相比,變頻器在許多應(yīng)用中很容易將能耗降低一半。不幸的是,環(huán)境產(chǎn)品聲明根本沒有考慮傳動所帶來的節(jié)能減排效果。據(jù)估計,僅僅2008年全世界安裝的ABB傳動就獲得了巨大收益,節(jié)省約170TWh電力,或減少1.42億噸二氧化碳排放2),這是環(huán)境產(chǎn)品聲明的一個重大缺陷。解決這一問題的方法之一就是測定產(chǎn)品的生態(tài)回報。

  據(jù)估計,如果在歐洲的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中安裝變頻器,每年可節(jié)省5,000萬MWh電力。

  生態(tài)回報

  對于產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響評估而言,確定生態(tài)回報提供了一種新思路,這種方法考慮了產(chǎn)品對環(huán)境的積極和消極影響。不僅在產(chǎn)品制造階段,還是在產(chǎn)品廢棄處置階段,都會消耗自然資源。使用像傳動一類的環(huán)保產(chǎn)品和工藝取代低效的舊方法,

  可以大大降低環(huán)境總體負(fù)荷。生態(tài)回報值是指,為補(bǔ)償產(chǎn)品制造和處置中的一次性環(huán)境負(fù)擔(dān),產(chǎn)品所使用的時間長度。這基本上可認(rèn)為是產(chǎn)品環(huán)境回報。

  圖5所示為三種ABB傳動生態(tài)回報的天數(shù)。圖表顯示,回報時間短,且隨著額定功率的增加而減少。例如,250kW傳動(ACS800)的回報期僅為一天。  

  對于產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響評估而言,確定生態(tài)回報提供了一種新思路,這種方法考慮了產(chǎn)品對環(huán)境的積極和消極影響。

  減少碳排放

  ACS800250kW傳動的環(huán)境產(chǎn)品聲明顯示,該產(chǎn)品制造階段碳排放量為每千瓦3.65公斤CO或總共912.5公斤CO2(見圖4)。該產(chǎn)品在圖5顯示的信息表明,按照全球變暖潛能(GWP)計算,生態(tài)回收期為半天。換句話說,傳動運轉(zhuǎn)半天減少的排放,足以完全補(bǔ)償產(chǎn)品制造中產(chǎn)生的碳排放所造成的影響。在傳動的生命周期內(nèi),不斷減少排放造福環(huán)境,其碳的排放將“變成負(fù)數(shù)”。實際上,ACS800工業(yè)傳動在整個生命周期內(nèi),一般可節(jié)電約7,500MWh,或減少3,800噸二氧化碳排放。當(dāng)今世界,交流感應(yīng)電機(jī)無疑還是“工業(yè)發(fā)展的動力”,變頻器在節(jié)能減排方面起著非常重要的作用。

  抽水蓄能電站

  德國斯圖加特的一家電力公司使用ABB的工業(yè)傳動控制水泵,這些水泵也可以用作水輪機(jī)生產(chǎn)電力。水源抽取自德國南部的康斯坦茨湖,經(jīng)過處理之后,通過近120公里的管道輸送到位于斯圖加特郊區(qū)Rohr的一個蓄水池。再由Rohr通過管道將水送到加愣柯林格(Gallenklinge)泵站,然后通過泵或水輪機(jī),將水存儲到蓄水池,最后送往斯圖加特管網(wǎng)。Rohr與加愣柯林格之間的高度差(水頭差)為120米。

  作為最近升級改造的一部分,泵站安裝了三套ABB工業(yè)傳動(ACS800,400kW),這些傳動具有再生能力,它所采用的主動整流單元能夠在電動和發(fā)電兩種模式下實現(xiàn)全功率運行。同時,這些傳動還配備了適用于第一環(huán)境的EMC濾波器,所產(chǎn)生電能可以直接饋入常規(guī)電網(wǎng)。 ACS800250kW的環(huán)境產(chǎn)品聲明顯示,按照全球變暖潛能(GWP)計算,生態(tài)回收期僅為半天。

  通過傳動驅(qū)動315kW,400V的電機(jī),考慮到設(shè)備冗余,水泵布置成并聯(lián)方式。傳動中的ABB智能水泵控制軟件(IPC),提供一些附加功能,包括能源優(yōu)化、主控改變、PID控制和水泵優(yōu)先級控制。水泵一般按水輪機(jī)模式使用,泵模式只在緊急情況下使用。輸出功率一般為200kW。泵站先前使用葉片間距可調(diào)的水輪機(jī),但變頻器提供的解決方案不僅更具經(jīng)濟(jì)效益,同時具有更大的靈活性。

  水泥廠降低能耗和維護(hù)費用

  城堡水泥公司(CastleCement)位于英國北威爾士的帕德伍德水泥廠(PadeswoodWorks)是歐洲最現(xiàn)代的水泥窯所在地,該廠使用ABB的工業(yè)傳動驅(qū)動風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)包括2MW引風(fēng)機(jī)、750MW的排風(fēng)機(jī)以及560MW的冷卻風(fēng)機(jī)。

  控制風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)使其滿足由于大氣和工藝條件變化而造成的不同流量,以及通風(fēng)變化的需要。另外還有四臺額定功率分別為110、160、200及250kW的風(fēng)機(jī)向格柵式冷卻器吹風(fēng),將高溫熟料的溫度降低到設(shè)定點。

  風(fēng)機(jī)以前通過滑環(huán)和直流電機(jī)進(jìn)行控制,需要定期進(jìn)行維護(hù)。采用ABB的工業(yè)傳動,同時使用不需維護(hù)的交流電機(jī)替代滑環(huán)和直流電機(jī),水泥廠節(jié)省了30%的風(fēng)機(jī)能耗費用,同時還節(jié)省了老式電機(jī)的維護(hù)費用。

  

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