选VFD还是FCV,这是一个问题!_流量控制JZGKCHINA工控技术分享平台


通过变速交流传动代替传统的机械流量控制装置,在离心泵和风机中实现流量控制,能够根据应用提供10%到60%的节能。这通常提供6到24个月的投资回报(ROI),这取决于工艺负荷,以及这是新设计还是现有安装的改装。 

变频调速在泵和风机节能中的应用

 上述ROI并未考虑使用变速交流驱动器的其他经济效益,例如:

  • 降低维护成本;
  • 减少了过程的可变性;
  • 改进的电厂总功率因数;
  • 以及消除阀门作为无组织排放源。

能源危机

 不断增长的人口和强烈的热浪导致电力需求比现有发电能力高出约20%。这就需要创新的、经过行业验证的解决方案来提高能源效率,从而减少总体需求,减少二氧化碳排放和碳足迹。本文讨论了在流量控制应用中使用带泵和风扇的变速交流传动装置代替控制阀或百叶窗,以及这如何有助于实现高水平的节能,延长设备寿命,并允许更安全和更环保的操作。 

传统的流量控制方法

 传统上,通过机械流量控制装置(即控制阀和百叶窗)控制离心泵和风机的流量。尽管这些年来,这种技术一直是所有过程控制教科书的标准,但它们在响应减少的过程需求而大幅降低能耗方面失败,图1说明了功率消耗与通过控制阀改变的流量之间的关系。

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图1–阀门控制的流量/功率曲线 如图1所示,通过控制阀或百叶窗将流量减少20%,对旋转设备能耗的影响最小或没有影响。产品流量与其能耗之间缺乏直接关系,这直接导致了单位生产成本的增加,以及工厂碳足迹的增加。 使用这种传统流量控制方法的另一个缺点是旋转设备的工作压力增加,这是频繁泄漏、振动增加和电机过热的主要原因。图2解释了阀门控制和工作压力之间的关系。 选VFD还是FCV,这是一个问题!_解决方案_03

图2–泵/系统曲线-节流阀工作点变化 上述因素对增加电厂运行和维护成本以及增加计划外维护活动有直接影响。 

变频驱动器,智能解决方案

 变频驱动器(VFD)正变得越来越普遍,应用也越来越广泛。它们能够在不需要机械皮带轮的情况下改变电机的输出速度,从而减少机械部件的数量和整体维护。但是VFD最大的优势是通过其继承性节省用户资金,通过只消耗所需的电力来节省能源。 VFD类似于它所连接的电机,它们都将功率转换为可用的形式。在感应电动机的情况下,通过电动机转子的旋转及其通过电动机打滑产生的转矩,向其提供的电力被转换为机械功率。另一方面,VFD将其输入功率(固定电压和频率)转换为可变电压和频率。同样的概念也是改变电机速度的基础,无需调整皮带轮或传动装置。 选VFD还是FCV,这是一个问题!_流量控制_04

图3–变频驱动与节流控制阀 使用VFD的节能源自亲和力定律,该定律规定:(1)流量与轴速度成正比(2)压头(压力)与轴速度的平方成正比(3)功率与轴速度的立方成正比 选VFD还是FCV,这是一个问题!_工控_05

图4–亲和力低曲线 

将亲和度低应用于离心泵或风机的功耗曲线,显示在节流阀方法的相同工作点可节省的能量量;图5显示了在流量减少20%的情况下,节能近50%。

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图5–VFD流量控制与节流阀流量控制 

从泵/系统曲线的角度来看VFD控制时,它显示了在相同流速下降低工作压力的额外好处,从而减少了振动、泄漏可能性和机械故障。

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图6–泵/系统曲线操作点随速度控制的变化

VFD流量控制的局限性及解决方案

 使用VFD/泵组合进行流量控制的主要限制出现在需要实现非常宽的流量范围的过程中,例如从标称流量的20%到100%的范围。以非常低的速度运行泵将导致产生非常低的泵压头,该压头可能不足以克服静态系统压头,因此流量可能永远不会积聚。选VFD还是FCV,这是一个问题!_流量控制_08

图7–最小工作点的VFD流量控制 针对上述限制的解决方案,可以利用VFD和控制阀的组合,采用分程控制算法,因此VFD将高流量调节到某个最小值,当工艺要求较低流量时,控制阀开始调整系统曲线,以达到要求的较低流量。 选VFD还是FCV,这是一个问题!_解决方案_09 

图8–组合VFD和控制阀动作 

VFD流量控制的经济效益

通过消除泵的压降,显著降低了能源成本

 如果节省的能源很少,那么这一点就无关紧要了。然而,在过程中有如此多的液流泵,泵送至高扬程,仅将能量损失视为通过控制阀的压降,因此该能量损失源可能高达泵能量的60%,高达炼油厂、造纸厂或化工厂运行所用总能量的25%。同样,如果我们从一开始就用VFD/泵设计工艺,我们可以使用更小的电动马达。 

更好的控制,减少工艺变化,提高产品规格

 众所周知,PID控制回路整定中最常被引用的问题是控制阀粘性引入流量回路的可变滞后。由于阀门致动器本身的机械运动,控制阀也会引入滞后。在电厂启动时经过优化调整的控制回路必须随着控制阀粘性的增加逐渐失谐,否则回路可能变得不稳定。今天,我们似乎接受这种次优工艺性能,但我们可以通过用VFD/泵替换主要误差源控制阀来做得更好。 

降低了整个工厂的维护成本

 一方面,拆除“或中和”控制阀,这是一个对维护资源要求很高的部件,是降低成本的重要来源。另一方面,在较低压力水平下操作泵可延长泵本身的使用寿命,减少系统所有机械部件上的应力和振动,并减少泄漏的可能性。 

消除无组织排放源

 当消除控制阀时,从消除已知源于控制阀杆填料的无组织排放中获得的好处是显而易见的。 

提高电厂功率因数

使用VFD而不是离散电机起动器的一个不太明显的好处是在接近单位功率因数的情况下运行。许多工厂使用昂贵的电容器组来提高其整体功率因数,这些电容器组也需要定期维护和更换。因此,VFD的使用消除了大多数工厂电容器组的需要。 

结论      VFD优于FCV

 显然,使用VFD/泵组合来代替交流线路供电电机和控制阀是实现流量控制的一种优越方法,并在降低能耗和提高能效方面获得巨大的好处。通过消除控制阀的问题,也有可能改善过程控制。