變頻調速技術在風機、泵類應用中的節(jié)能分析

摘要：在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風機、泵類設備應用范圍廣泛；其電能消耗是一筆不小的生產(chǎn)費用開支。隨著經(jīng)濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加??；節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質量的重要手段之一。關鍵字：變頻調速節(jié)能風機泵

    一、引言

    在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風機、泵類設備應用范圍廣泛；其電能消耗和諸如閥門、擋板相關設備的節(jié)流損失以及維護、維修費用占到生產(chǎn)成本的7%~25%，是一筆不小的生產(chǎn)費用開支。隨著經(jīng)濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇；節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質量的重要手段之一。

    而八十年代初發(fā)展起來的變頻調速技術，正是順應了工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個全新的智能電機時代。一改普通電動機只能以定速方式運行的陳舊模式，使得電動機及其拖動負載在無須任何改動的情況下即可以按照生產(chǎn)工藝要求調整轉速輸出，從而降低電機功耗達到系統(tǒng)運行的目的。

    八十年代末，該技術引入我國并得到推廣?，F(xiàn)已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業(yè)的電機傳動設備中得到實際應用。目前，變頻調速技術已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動技術的一個主要發(fā)展方向。的調速性能、顯著的節(jié)電效果，改善現(xiàn)有設備的運行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性和設備利用率，延長設備使用壽命等優(yōu)點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現(xiàn)。

    二、綜述

    通常在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造業(yè)中風機設備主要用于鍋爐燃燒系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等場合，根據(jù)生產(chǎn)需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調節(jié)以適應工藝要求和運行工況。而zui常用的控制手段則是調節(jié)風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產(chǎn)成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下。

    泵類設備在生產(chǎn)領域同樣有著廣闊的應用空間，提水泵站、水池儲罐給排系統(tǒng)、工業(yè)水（油）循環(huán)系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)均使用離心泵、軸流泵、齒輪泵、柱塞泵等設備。而且，根據(jù)不同的生產(chǎn)需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，管路、閥門等密封性能的破壞；還加速了泵腔、閥體的磨損和汽蝕，嚴重時損壞設備、影響生產(chǎn)、危及產(chǎn)品質量。

    風機、泵類設備多數(shù)采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現(xiàn)泵損壞同時電機也被燒毀的現(xiàn)象。

    近年來，出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質量不斷提高的要求，加之采用變頻調速器（簡稱變頻器）易操作、免維護、控制精度高，并可以實現(xiàn)高功能化等特點；因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。

    變頻調速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。

變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術，電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。
    三、節(jié)能分析

    通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。

    以一臺水泵為例，它的出口壓頭為H0（出口壓頭即泵入口和管路出口的靜壓力差），額定轉速為n0,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應的壓力為H1,出口流量為Q1。流量-轉速-壓力關系曲線如下圖所示。

    在現(xiàn)場控制中，通常采用水泵定速運行出口閥門控制流量。當流量從Q1減小50%至Q2時，閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞1，系統(tǒng)工作點沿方向I由原來的A點移至B點；受其節(jié)流作用壓力H1變?yōu)镠2。水泵軸功率實際值（kW）可由公式：P=Q·H／（ηc·ηb）×10-3得出。其中，P、Q、H、ηc、ηb分別表示功率、流量、壓力、水泵效率、傳動裝置效率，直接傳動為1。假設總效率（ηc·ηb）為1，則水泵由A點移至B點工作時，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調速手段改變水泵的轉速n，當流量從Q1減小50%至Q2時，那么管網(wǎng)阻力特性為同一曲線r0，系統(tǒng)工作點將沿方向II由原來的A點移至C點，水泵的運行也更趨合理。在閥門全開，只有管網(wǎng)阻力的情況下，系統(tǒng)滿足現(xiàn)場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調節(jié)和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節(jié)能效果。

    另外，從圖中還可以看出：閥門調節(jié)時將使系統(tǒng)壓力H升高，這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞；而轉速調節(jié)時，系統(tǒng)壓力H將隨泵轉速n的降低而降低，因此不會對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

    從上面的比較不難得出：當現(xiàn)場對水泵流量的需求從100%降至50%時，采用轉速調節(jié)將比原來的閥門調節(jié)節(jié)省BCH3H2所對應的功率大小，節(jié)能率在75%以上。與此相類似的，如果采用變頻調速技術改變泵類、風機類設備轉速來控制現(xiàn)場壓力、溫度、水位等其它過程控制參量，同樣可以依據(jù)系統(tǒng)控制特性繪制出關系曲線得出上述的比較結果。亦即，采用變頻調速技術改變電機轉速的方法，要比采用閥門、擋板調節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟，設備運行工況也將得到明顯改善。

    四、節(jié)能計算

    對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：

    1、根據(jù)已知風機、泵類在不同控制方式下的流量－負載關系曲線和現(xiàn)場運行的負荷變化情況進行計算。

    以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16m3/h，揚程50m；配備Y225M-4型電動機，額定功率45kW。泵在閥門調節(jié)和轉速調節(jié)時的流量－負載曲線如下圖示。根據(jù)運行要求，水泵連續(xù)24小時運行，其中每天11小時運行在90%負荷，13小時運行在50%負荷；全年運行時間在300天。

則每年的節(jié)電量為：W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW·h

    W2=45×13×（95%－20%）×300=131625kW·h

    W=W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h

    每度電按0.5元計算，則每年可節(jié)約電費8.883萬元。

    2、根據(jù)風機、泵類平方轉矩負載關系式：P/P0=（n/n0）3計算，式中為P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率。

    以一臺工業(yè)鍋爐使用的22kW鼓風機為例。運行工況仍以24小時連續(xù)運行，其中每天11小時運行在90%負荷（頻率按46Hz計算,擋板調節(jié)時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負荷（頻率按20Hz計算，擋板調節(jié)時電機功耗按70%計算）；全年運行時間在300天為計算依據(jù)。

    則變頻調速時每年的節(jié)電量為：W1=22×11×[1－（46/50）3]×300=16067kW·h

    W2=22×13×[1－（20/50）3]×300=80309kW·h

    Wb=W1＋W2=16067＋80309=96376kW·h

    擋板開度時的節(jié)電量為：W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h

    W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW·h

    Wd=W1＋W2=1452＋21780=23232kW·h

    相比較節(jié)電量為：W=Wb－Wd=96376－23232=73144kW·h

    每度電按0.5元計算，則采用變頻調速每年可節(jié)約電費3.657萬元。某工廠離心式水泵參數(shù)為：離心泵型號6SA-8，額定流量53.5L/s，揚程50m；所配電機Y200L2-2型37kW。對水泵進行閥門節(jié)流控制和電機調速控制情況下的實測數(shù)據(jù)記錄如下：

    流量L/s時間（h）消耗電網(wǎng)輸出的電能（kW·h）

    閥門節(jié)流調節(jié)電機變頻調速

    47233.2×2=66.428.39×2=56.8

    40830×8=24021.16×8=169.3

    30427×4=10813.88×4=55.5

    201023.9×10=2399.67×10=96.7

    合計24653.4378.3

    相比之下，在一天內(nèi)變頻調速可比閥門節(jié)流控制節(jié)省275.1kW·h的電量，節(jié)電率達42.1%。

五、結束語

    風機、泵類等設備采用變頻調速技術實現(xiàn)節(jié)能運行是我國節(jié)能的一項重點推廣技術，受到國家政府的普遍重視，《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條就把它列為通用技術加以推廣。實踐證明，變頻器用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯，設備一次性投資通?？梢栽?個月到16個月的生產(chǎn)中全部收回