變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)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(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛,其電能消耗是一筆不小的生產(chǎn)費(fèi)用開支。隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇,節(jié)能降耗已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一。

關(guān)鍵詞:風(fēng)機(jī)、泵;變頻調(diào)速;節(jié)能降耗

1 綜述

通常在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造業(yè)中,風(fēng)機(jī)設(shè)備主要用于鍋爐燃燒系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等場(chǎng)合,根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況。而最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來(lái)調(diào)整受控對(duì)象。這樣,不論生產(chǎn)需求的大小,風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn),根據(jù)運(yùn)行情況的變化,使得能量以風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失掉了。在生產(chǎn)過(guò)程中,不僅控制精度受到限制,而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗,從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加,設(shè)備使用壽命縮短,設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下。風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備多數(shù)采用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行,存在啟動(dòng)電流大、機(jī)械沖擊、電氣保護(hù)特性差等缺點(diǎn)。不僅影響設(shè)備使用壽命,而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護(hù)設(shè)備,時(shí)常出現(xiàn)泵損壞同時(shí)電機(jī)也被燒毀的現(xiàn)象。

近年來(lái),出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求,采用變頻調(diào)速器(簡(jiǎn)稱變頻器)易操作、免維護(hù)、控制精度高,并可以實(shí)現(xiàn)高功能化等特點(diǎn),而采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案開始逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系:n=60f(1-s)/p,(式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù));通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)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(shù),電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。

2 節(jié)能分析

通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知:風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其轉(zhuǎn)速n與流量Q,壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系:Q∝n ,H∝n2,P∝n3;即,流量與轉(zhuǎn)速成正比,壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。以一臺(tái)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(zhuǎn)速為n0,閥門全開時(shí)的管阻特性為r0,額定工況下與之對(duì)應(yīng)的壓力為H1,出口流量為Q1。

在現(xiàn)場(chǎng)控制中,通常采用水泵定速運(yùn)行出口閥門控制流量。當(dāng)流量從Q1減小50%至Q2時(shí),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(diǎn)沿方向I由原來(lái)的A點(diǎn)移至B點(diǎn);受其節(jié)流作用壓力H1變?yōu)镠2.水泵軸功率實(shí)際值(kW)可由公式:P =Q.H/(η c.η b)×10-3得出。其中,P、Q、H、η c、η b分別表示功率、流量、壓力、水泵效率、傳動(dòng)裝置效率,直接傳動(dòng)為1.假設(shè)總效率(η c.η b)為1,則水泵由A點(diǎn)移至B點(diǎn)工作時(shí),電機(jī)節(jié)省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調(diào)速手段改變水泵的轉(zhuǎn)速n,當(dāng)流量從Q1減小50%至Q2時(shí),那么管網(wǎng)阻力特性為同一曲線r0,系統(tǒng)工作點(diǎn)將沿方向II由原來(lái)的A點(diǎn)移至C點(diǎn),水泵的運(yùn)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(chǎng)的流量要求,能耗勢(shì)必降低。此時(shí),電機(jī)節(jié)省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調(diào)節(jié)和水泵轉(zhuǎn)速控制,顯然使用水泵轉(zhuǎn)速控制更為有效合理,具有顯著的節(jié)能效果。

另外,閥門調(diào)節(jié)時(shí)將使系統(tǒng)壓力H升高,這將對(duì)管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞;而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí),系統(tǒng)壓力H將隨泵轉(zhuǎn)速n的降低而降低,因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

從上面的比較不難得出:當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水泵流量的需求從100%降至50%時(shí),采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)將比原來(lái)的閥門調(diào)節(jié)節(jié)省BCH3H2所對(duì)應(yīng)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(diào)速技術(shù)改變泵類、風(fēng)機(jī)類設(shè)備轉(zhuǎn)速來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度、水位等其它過(guò)程控制參量,即,采用變頻調(diào)速技術(shù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法,要比采用閥門、擋板調(diào)節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟(jì),設(shè)備運(yùn)行工況也將得到明顯改善。

3 節(jié)能計(jì)算

對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果,通常采用以下兩種方式進(jìn)行計(jì)算:

根據(jù)已知風(fēng)機(jī)、泵類在不同控制方式下的流量現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的負(fù)荷變化情況進(jìn)行計(jì)算。

以一臺(tái)IS150-125-400型離心泵為例,額定流量200.16m3/h,揚(yáng)程50m;配備Y225M-4型電動(dòng)機(jī),額定功率45kW.泵在閥門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)的流量。根據(jù)運(yùn)行要求,水泵連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行,其中每天11小時(shí)運(yùn)行在90%負(fù)荷,13小時(shí)運(yùn)行在50%負(fù)荷;全年運(yùn)行時(shí)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(jì)算,則每年可節(jié)約電費(fèi)8.883萬(wàn)元。

根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式:P / P0=(n/n0)3計(jì)算,式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時(shí)的功率;P為轉(zhuǎn)速n時(shí)的功率。

以一臺(tái)工業(yè)鍋爐使用的22 kW鼓風(fēng)機(jī)為例。運(yùn)行工況仍以 24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行,其中每天11小時(shí)運(yùn)行在90%負(fù)荷(頻率按46Hz計(jì)算,擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按98%計(jì)算),13小時(shí)運(yùn)行在50%負(fù)荷(頻率按20Hz計(jì)算,擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按70%計(jì)算);全年運(yùn)行時(shí)間在300天為計(jì)算依據(jù)。

則變頻調(diào)速時(shí)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=96376 kW.h

擋板開度時(shí)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=23232 kW.h

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

結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中,風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù),實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行是我國(guó)節(jié)能的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù),受到國(guó)家政府的普遍重視,《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》第39條就把它列為通用技術(shù)加以推廣。實(shí)踐證明,變頻器用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制場(chǎng)合,取得了顯著的節(jié)電效果,是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)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(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用,還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯,設(shè)備一次性投資通常可以在9個(gè)月到16個(gè)月的生產(chǎn)中全部收回。

作者簡(jiǎn)介:郝軼學(xué),男,助理工程師,同煤集團(tuán)忻州窯礦供熱隊(duì)從事技術(shù)管理工作。