浅谈风机变频调速节能技术

浅谈风机变频调速节能技术动本083班邢玫【摘要】根据泵与风机在不同工况下运行的性能与特点，分析了变流量运行时，泵与风机流量、扬程(压头)、功率与转速间的关系。介绍了变频器在泵与风机调速上的应用现状，及使用变频器变频调速与挡板节流对比，阐述了变频调速节能原理及经济效益。提出了变流量运行时，泵与风机应采用变频技术，合理配备，并举例分析比较了水泵采用变频调节时的特性、耗能情况及其经济性。【关键词】风机；水泵；变频器；节能【引言】风机和泵是一种把机械能转化为流体(液体、气体)的势能和动能的动力设备，广泛用于国民经济的各个方面。根据泵与风机在不同工况下运行的性能与特点，分析了变流量运行时，泵与风机流量、扬程(压头)、功率与转速间的关系。由于目前绝大部分风机水泵(压缩机)都采用风门挡板(阀门)调节流量，造成大量的节流损耗，若采用转速调节，具有巨大的节能潜力。直到上世纪七十年代，都采用机械调速或滑差电机调速，但这属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗，并且驱动功率受到限制：到上世纪80年代，开始采用液力耦合器调速，并且突破了驱动功率的限制，向大功率方向发展，但它与滑差电机调速一样，属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗。直到上世纪90年代，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，变频器很快占领电动机调速市场，并向高压、大容量领域发展，使采用高压电动机驱动的风机、水泵、压缩机进行变频调速节能改造成为可能。进人新世纪以来，国产高压变频器生产企业如雨后春笋般的涌现，并且其质量和可靠性直逼进口产品，且价格低廉，服务周到，因此在很多领域大有取代进口产品的趋势。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。风机与水泵是用于输送流体(气体和液体)的机械设备。风机与水泵的作用是把原动机的机械能或其它能源的能量传递给流体，以实现流体的输送。即流体获得机械能后，除用于克服输送过程中的通流阻力外，还可以实现从低压区输送到高压区，或从低位区输送到高位区。通常用来输送气体的机械设备称为风机(压缩机)，而输送液体的机械设备则称为泵。1风机的主要功能和用途风机按工作原理的不同，可以分为叶片式(又称叶轮式或透平式)和容积式(又称定排量式)两大类。叶片式风机又可以分为离心式风机、轴流式风机、混流式风机和横流式风机：容积式风机又可以分为往复式风机和回转式风机，而回转式风机又可用分为罗茨风机和叶氏风机。风机除按上述工作原理分类外，还常按其产生全压的高低来分类：(1)通风机：指在设计条件下，风120THEW0RLDOFINVERTERSr—一机产生的额定全压值在98Pa~14700Pa之间的风机。在各类风机中，通风机应用最为广泛，如火力发电厂中用的各种风机基本上都是通风机。(2)鼓风机：指气体经风机后的压力升高在14700Pa~196120Pa之间的风机。(3)压缩机：指气体经风机后的压力升高大于196120Pa以上，或压缩比大于3．5的风机。(4)风扇：指在标准状况下，风机产生的额定全压低于98Pa的风机。这类风机无机壳，故又称自由风扇。2风机的性能参数风机的基本性能参数表示风机的基本性能，风机的基本性能参数有流量、全压、轴功率、效率、转速、比转速等6个。(1)流量：以字母Q(q)表示，单位为(升)1／s、m／s、in／h等。(2)全压：风机的全压P表示空气经风机后所获得的机械能。风机的全压P是指单位体积气体从风机的进源管理”项目的成败!目前见到的变频调速节能改造项目的节能计算多有偏颇不实之处，这主要是缺乏理论指导和实践经验，而教科书上又缺乏系统的内容，致使大家各行其是，无所适从。当然也不排斥有些节能厂商为了推广其节能产品而误导用户，故意夸大节能效果；但是更多的则是由于没有掌握节能计算方法。所以，根据长期以来从事风机、水泵、压缩机变频调速节能工程的实践，有责任将其总结成文，作为用户在节能改造时参考：同时也希望引起大家的讨论，以便形成共识。1：3截面1流经叶轮至风机的出口截面2所获得的机械能。风机全压的计算式为：p=(p：+：)一(p。+12)JV／m2风机的全压等于风机的出口全压(出口静压和出口动压之和)减去风机的进口全压(进口静压和进口动压之和)。(3)轴功率：由原动机或传动装置传到风机轴上的功率，称为风机的轴功率，用P表示，单位为kW。P：盟r／，rlr式中：Q一一风机风量(m／s)；P一风机全压(kPa)：，7_传动装置效率：厂7广一风机效率；，7厂一电动机效率。电动机容量选择：P=Q．p(4)效率：风机的输出功率(有效功率)PU与输入功率(轴功率)P之比，称为风机的效率或全压效率，以n表示：叩一P“O．P，(5)转速：风机的转速指风机轴旋转的速度，即单位时间内风机轴的转数，以n表示，单位为r／min(rpm)或S。(弧度／秒)。3.变频调速技术节能原理电动机转速与输入电源的频率成正比，是变频调速技术的基本原理．即：N=60f(1一s)／P公式中，v、fP分别表示电动机转速、输入电源频率、异步电机转差率和电机磁极对数，通过改变输入电源的频率达到改变电机转速的目的．变频调速技术就是基于上述原理采用集交一直一交电源变频技术、电子电力技术、微电脑控制技术于一体的综合性电控技术，这种技术在理论上可实现无级调速，启停平稳，工作可靠，特别是在平方转矩类负载的调速方面节能效果显著J．锅炉配套的鼓风机、引风机和给水泵都属于平方转矩类负载．由流体力学原理可知，这类负载在使用电动机拖动的情况下，轴功率P与风量(流量)Q、风压(扬程)的关系可表示为：变化到Ⅳ2时，q、H、P与转速变化的关系是：P和Q×H成正相关Q2=Q1×(N2/N1)H2=H1×(N2/N1)×(N2/N1)P2=P1×(N2/N1)×(N2/N1)×(N2/N1)即风量(流量)与转速的变化成正比，风压(扬程)与转速变化的平方成正比，轴功率与转速变化的三次方成正比]．这是平方转矩类负载调速节能的基本原理．图1为风机的性能曲线和运行工况点变化示意图．图中nl、n2表示风机转速为／v、Ⅳ2时的Q—日曲线，w1、w2为风门开度变化前后的管网特性曲线．现根据此图分析P与q、H的关系以及采用变频调速控制的节能效果．当锅炉负荷减小时，需将风量由Q减为Q，可以通过变阀调节或变频调节两种途径来实现风量的减少．如果采用变阀调节的办法，那么风机性能曲线不变，管网特性曲线由w1上移至w2，系统工况点由A点转移至B点，风机所需轴功率由P。cQ×H变化为PocQ×H2，由图可见轴功率变化不大；如果采用变频调节的方法，风机转速由N1降为N2，其管网特性曲线不变，但风机特性曲线由n1下移至n2，系统工况点由A点转移至C点，所需轴功率P3和Q2×H8成正比。从理论上分析，节约的轴功率Piy和Q2×(H2一HB)成正比．4．改造方案4．1锅炉及辅机的基本情况平煤股份公司八矿于2005年安装投运的一台SHXF20—1．25型循环流化床锅炉，额定蒸发量为20t／h，配备的鼓风机、引风机、给水泵性能参数见表1．表1鼓风机、引风机、给水泵性能参数在实际运行过程中，根据负荷变化，锅炉实际蒸发量往往需要在22～16t／h频繁调节(冬季供暖防冻洗浴22t／h，供暖防冻20t／h，夏季洗浴烘干16t／h)．而调节锅炉蒸发量，必须先调节鼓风机、引风机、给水泵的参数．根据实际运行结果，在常用的蒸发量范围内，鼓风量、引风量、给水量数值见表2表2鼓风量、引风量、给水量数据4．2变频器选型及控制回路改造根据鼓风机、引风机、给水泵拖动电机额定功率进行变频器的选型，并按照保证系统安全工作、满足锅炉不同负荷下辅机工作参数要求的条件对变频器进行相关参数的设置，具体情况见表3。表3变频器的选型变频器安装于专用配电柜中，电控系统在原系统的基础上进行改造．只需拆除原交流接触器，安装中间继电器和电抗滤波器，并将原有的电动执行器和电动调节器(控制风门、阀门开度)更换为调节频率的电位器和频率显示仪表即可．由于风机水泵属于平方转矩类负载，在低速运转时需要的轴功率显著下降，拖动电机负荷较小，发热量也较少．因此，冷却风扇与电机转子同速运转能够保证电机散热，不需专门配置变频电机．变频改造后可保证设备高效运转，实现电机软启动，无冲击电流，设备故障率也大大降低，维修费用大为减少．变频器自我检测、故障诊断、保护功能齐全，可有效地防止事故扩大化．在节电的同时，长期轻载运行的设备工作在低转速、低电压的状态下，这样就使电机发热少、温升低，延长了使用寿命，降低了设备噪音，改善了生产环境，克服了采用异步电动机直接驱动、变阀调节流量时，电机启动电流大、设备机械冲击大、电气保护特性差等缺点．变频调速技术也提高了功率因数，使电网损耗减少，效率提高．在锅炉工况改变时，调节变频器输出频率即可满足工况调节的要求。5．结语风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术。实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产。锅炉风机、水泵等设备采用变频调速技术实现，还降低了停产周期，直接和间接经济效益十分明显。参考文献：[1]潘效军．锅炉改造技术[M]．北京：中国电力出版社，[2]何超．交流变频调速技术[M]．北京：中国航空航天大学出版社，2006[3]庞丽君．锅炉燃烧技术及设备[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1991．