關(guān)于風(fēng)機(jī)變頻改造的節(jié)能計(jì)算

1、風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造分析及節(jié)能預(yù)算摘要：以變頻調(diào)速改造來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)工業(yè)工程生產(chǎn)所需風(fēng)量成為目前實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能 的一種主要途徑。當(dāng)我們進(jìn)行變頻節(jié)能改造時(shí).投入和收益、投資回收期是必須 認(rèn)真考慮的一一特別是對(duì)于做MEC模式的節(jié)能服務(wù)公司o收益就涉及到節(jié)能量的 計(jì)算問(wèn)題，在變頻器未投運(yùn)之前，計(jì)算節(jié)能最是比較困難的。本文通過(guò)分析變頻 節(jié)能的原理及分析，介紹了針對(duì)閥門(mén)及液力耦合器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)流量系統(tǒng)的變頻改造 的節(jié)能預(yù)算的一些思考及方法。前言在工業(yè)生產(chǎn)、發(fā)電、居民供暖、產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)類(lèi)設(shè)備應(yīng)用范圍廣 泛，其電能消耗和諸如閥門(mén)、擋板、液力耦合器等相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護(hù)、 維修費(fèi)用約占到生產(chǎn)成本的7滄2

2、5%,是一筆不小的生產(chǎn)費(fèi)用開(kāi)支。隨著經(jīng)濟(jì)改 革的不斷深入，以及能源的危機(jī)，節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì) 量的重要手段變頻調(diào)速因其調(diào)速效率高.功率因數(shù)高，調(diào)速范圍寬，調(diào)速 精度高等優(yōu)勢(shì)，乂可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，減少電網(wǎng)的電流沖擊及設(shè)備的機(jī)械沖擊，延 長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，對(duì)于大部分采用籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)，變頻調(diào)速不失為 目前最理想的調(diào)速節(jié)能方案。一、變頻器節(jié)能的調(diào)速實(shí)質(zhì)和原理節(jié)約能源最根本的方法就是要提高能源的利用率，所謂的“節(jié)能”，不僅僅 是節(jié)省能耗，還包括不浪費(fèi)能源，用一句最簡(jiǎn)單的話說(shuō)就是：“需要多少，就提 供多少!”變頻器本身不是發(fā)電機(jī)。在變頻器應(yīng)用到風(fēng)機(jī)等平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的工業(yè)場(chǎng)合 中

3、，其節(jié)能原因不是由變頻器本身帶來(lái)的，而是通過(guò)變頻器的調(diào)速特性來(lái)減小風(fēng) 機(jī)輸出流量以適應(yīng)工況中的實(shí)際所需流量。葉片式風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性屬于半方轉(zhuǎn)矩型，其功率等于即其軸上需要提供的 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比。風(fēng)機(jī)在滿足三個(gè)相似條件：兒何相似、運(yùn)動(dòng)相似和 動(dòng)力相似的情況下遵循相似定律；對(duì)于同一臺(tái)風(fēng)機(jī)，當(dāng)輸送的流體密度P不變僅 轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其性能參數(shù)的變化遵循比例定律：Q（流最）與n（轉(zhuǎn)速）的一次方成 正比：揚(yáng)程H （壓力）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；P（軸功率）則與轉(zhuǎn)速的三次方成 正比。即：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，其本身性能曲線的變化可由比例定律作出，如圖1所 示。因管路阻力曲線不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，故當(dāng)轉(zhuǎn)速由Q1變至

4、Q2時(shí)，運(yùn) 行工況點(diǎn)將由A點(diǎn)變至C點(diǎn)。圖1、風(fēng)機(jī)流量、壓力特性上圖中，曲線、為風(fēng)機(jī)在不同阻力下的特性曲線。曲線、為工頻、 變頻狀態(tài)下的流量與壓力關(guān)系曲線。風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)時(shí)，軸功率P1等于Q1,H1 的乘積，即與圖中面積AQ10H1A成正比。若要將流量叢Q1降到Q2時(shí)，如用 閥門(mén)調(diào)節(jié)，則工作點(diǎn)由A移動(dòng)到B點(diǎn)，流量下降，壓力上升，軸功率減少不多; 若采用變頻調(diào)速，則工作點(diǎn)由A移動(dòng)到C ,在滿足同樣流量Q2的情況下，壓 力也下降，軸功率大大降低。故變頻器節(jié)能的實(shí)質(zhì)是調(diào)速引起的流量變化來(lái)產(chǎn)生 的。在工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般要考慮建設(shè)前，后長(zhǎng)期工藝要求的差異，使裕帚過(guò)大。如火電設(shè)計(jì)規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤

5、鍋爐的鼓風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)最裕度分別為 5%和510%,風(fēng)斥裕度為10%和10%15%o另外，設(shè)計(jì)過(guò)程中很難計(jì)算管網(wǎng)的 阻力，并考慮長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)題（比如水泥工況中，由于物料、 濕度等不同工況需求），通?？偘严到y(tǒng)的最大風(fēng)帚和風(fēng)圧裕量作為選型的依據(jù)， 但風(fēng)機(jī)的系列是有限的，往往選不到合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)就往上靠，大2030%的 比較常見(jiàn)。在實(shí)際工作時(shí)，再采用調(diào)流設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際所需的流量。以前絕大部分風(fēng)機(jī)都采用風(fēng)門(mén)擋板調(diào)節(jié)流量，造成大最的節(jié)流損耗，所以風(fēng) 機(jī)若采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有巨大的節(jié)能潛力。直到上世紀(jì)七十年代，都采用機(jī)械調(diào) 速或滑差電機(jī)調(diào)速，但這屬于低效調(diào)速方式，仍有較大的能量損耗，并且

6、驅(qū)動(dòng)功 率受到限制：到上世紀(jì)八十年代，開(kāi)始采用液力耦合器調(diào)速，并且突破了馳動(dòng)功 率的限制，向大功率方向發(fā)展，但它與滑差電機(jī)調(diào)速一樣，屈于低效調(diào)速方式， 仍有較大的能量損耗。直到上世紀(jì)九十年代，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技 術(shù)的發(fā)展，變頻器很快占領(lǐng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速市場(chǎng)，在我國(guó)各工業(yè)生產(chǎn)中，各類(lèi)和風(fēng)機(jī) 的用電量占用電量的大半部分，例如引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、循環(huán)、凝結(jié)、 給、灰渣（漿）、排粉機(jī)等等，尤其是風(fēng)機(jī)的裕量明顯過(guò)大，如果采用擋板調(diào)節(jié), 即使在機(jī)組滿負(fù)荷輸出的擋板開(kāi)度也餃小。而和風(fēng)機(jī)的一個(gè)特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn) 速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。如可根據(jù)所需的流量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速， 就可獲得很好的

7、節(jié)電效果。二、風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能預(yù)算方法如果用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)速控制，不盂耍再用閥門(mén)、擋板進(jìn)行節(jié)流調(diào) 節(jié)，將閥門(mén)、擋板開(kāi)到最大，管路阻尼最小，能耗也大為減少。節(jié)能量可用GB12497三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式，即:Pl0.45 + 0.55 £(1)其中：pL為變頻器改造后風(fēng)機(jī)所需輸入功率，單位為kW；&為達(dá)到風(fēng)機(jī)額定流最時(shí)所需輸入功率，單位為kW；Q為丈際所盂流星，單位為；2為風(fēng)機(jī)額定流量，單位為m3/li；然而，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，由于流最計(jì)的價(jià)格昂貴以及工況環(huán)境的惡劣原因, 很多都沒(méi)有在風(fēng)機(jī)管路中配置流量計(jì)，即使有配置的場(chǎng)合也常常處于損壞

8、狀態(tài)。 不能方便的得到準(zhǔn)確具體的流量數(shù)據(jù)。因此，我們?cè)趯?shí)際的變頻改造中常采用三 種方法來(lái)求出流量比。設(shè)流最比為K,則有：k2Qn（1）方法1：由流體力學(xué)可知，流量等于風(fēng)速乘以管道的截面積。對(duì)于同 一個(gè)風(fēng)系統(tǒng)的同一個(gè)測(cè)點(diǎn)，其管道截面積無(wú)疑是相同的。則有：=（3）Qn戌故我們采用便攜式風(fēng)速儀在管道中可測(cè)出管道風(fēng)速比，從而得知流量 比。（2）方法2：由風(fēng)機(jī)的相似定律可知：Q（流量）與1】（轉(zhuǎn)速）的一次方成正比; 揚(yáng)程H （壓力）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比。則有：汽:瑋4,故我們可通過(guò)實(shí)際壓力與額定壓力比求出流量比。（3）方法3：根據(jù)調(diào)節(jié)閥的流最特性來(lái)估算流最比。調(diào)節(jié)閥的流最特性是 指被調(diào)介質(zhì)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相

9、對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。 調(diào)節(jié)閥的流最特性包括理想流量特性和工作流最特性。理想流量特性 是指在調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口斥差固定不變情況下的流量特性，有直線、等白 分比、拋物線及快開(kāi)4種特性。這種方法需要用戶提供實(shí)際使用閥門(mén) 的閥門(mén)特性圖。求出變頻改造后的實(shí)際功率后，則可根據(jù)式（5）算出變頻改造后的節(jié)電率入"認(rèn)Pi其中 0.9為保險(xiǎn)系數(shù) 三、液力耦合器調(diào)速風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能預(yù)算方法液力耦合器是一種以液體（多數(shù)為油）為匸作介質(zhì)、利用液體動(dòng)能傳遞能量 的一種葉片式傳動(dòng)機(jī)械。調(diào)速型液力耦合器主要由輪、渦輪、旋轉(zhuǎn)外套和勺管組 成。只要改變工作腔內(nèi)工作油的充滿度，亦即改變循環(huán)圓內(nèi)的循環(huán)油最，就可以

10、 改變液力耦合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩和輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)在定速旋轉(zhuǎn)的 情況下對(duì)風(fēng)機(jī)或的無(wú)級(jí)變速。在忽略液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失等時(shí)，液 力耦合器的調(diào)速效率等于調(diào)速比。當(dāng)液力耦合器工作時(shí)的轉(zhuǎn)速比越小，其調(diào)速效 率也越低，這是液力耦合器的一個(gè)重要工作特性。由上可知，液力耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)極調(diào)速。根據(jù)風(fēng)機(jī)特性，其需要的輸入功 率與轉(zhuǎn)速有立方關(guān)系。故其也是能夠節(jié)能的。然而。液力耦合器的調(diào)速效率等于調(diào)速比。液力耦合器在帶動(dòng)風(fēng)機(jī)負(fù)載調(diào)速 工作時(shí)，轉(zhuǎn)速比越小，其調(diào)速效率越低，轉(zhuǎn)差功率損耗也越大：所以液力耦合器 屬低效調(diào)速裝置。電動(dòng)機(jī)本身功率損耗除外，無(wú)論是變頻調(diào)速還是液力偶合器調(diào)速，均存在額 外的功

11、率損耗，液力偶合器從電動(dòng)機(jī)輸出軸取得機(jī)械能，通過(guò)液力變速后送入負(fù) 載，其效率不可能為1:變頻器從電網(wǎng)取的電能，通過(guò)逆變后送入電動(dòng)機(jī)電樞， 其效率也不可能是1。而且在全轉(zhuǎn)速范用內(nèi)，兩種方式的效率曲線也不一樣。如 圖2所示“兩種調(diào)速方式效率曲線”為典型的液力偶合器和變頻器的效率一轉(zhuǎn)速 曲線，隨著輸出轉(zhuǎn)速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低（例如：額定轉(zhuǎn) 速時(shí)效率0.97, 75%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約0.7, 20%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約0.18）。變頻調(diào)速通過(guò)電力電子整流和脈寬調(diào)制逆變技術(shù)改變電動(dòng)機(jī)電樞的電壓和 頻率，除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不變外，電力電子器件的損耗基 本上與輸出功率成正比，因此變頻

12、調(diào)速可以在全轉(zhuǎn)速范圉內(nèi)保持較高效率運(yùn)行。 從圖2曲線數(shù)據(jù)看，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)，液力偶合器的效率比變頻調(diào)速的效率下 降快得多，因此變頻調(diào)速的低速特性比液力耦合器要好。效率/1.00,90.80.70.60.50.40.30.20.1變頻調(diào)速敖偶合器效率1 °2 ° 3 °*4 ° 5 ° 6 °7 °8 °9 1 顯轉(zhuǎn)速比圖2變頻與液力耦合器效率曲線由上面的分析可知：液力耦合器與變頻器的節(jié)能差異在F其效率的不同。因 此，由于液力耦合器的調(diào)速效率等于調(diào)速比，而變頻器的效率在94%97%, 所以用變頻器代替液力耦合器的節(jié)

13、電率的計(jì)算就變得十分簡(jiǎn)單了：節(jié)電率二1 一變頻器損耗一調(diào)速比+液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失等 于額定傳動(dòng)功率的3%4% （取3.6%） /調(diào)速比。也就是“節(jié)電率二變頻器效率一調(diào)速比+3. 6% Pec/調(diào)速比”。一般可 以認(rèn)為變頻器的損耗和液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失相當(dāng)，則節(jié)電率的計(jì)算 可以簡(jiǎn)化為：節(jié)電率二100% 調(diào)速比如果要保留液力耦合器的話，節(jié)電率=變頻器效率一調(diào)速比一液力耦 合器的機(jī)械損失和容積損失等于額定傳送功率的3%4%（取3. 6%）/調(diào)速比一液力耦合器因?yàn)閬G轉(zhuǎn)而損失的效率約3%4%/調(diào)速比。為了與上式有可比性， 均按實(shí)際傳送功率的45%計(jì)算的話，則節(jié)電率的計(jì)算也可以簡(jiǎn)化為

14、：節(jié)電率二100% 調(diào)速比一（1215%）四、變頻調(diào)速節(jié)能計(jì)算時(shí)需考慮變頻器的效率GB12668定義變頻器為轉(zhuǎn)換電能并能改變頻率的電能轉(zhuǎn)換裝置。能星轉(zhuǎn)換過(guò) 程中必然伴隨著損耗。在變頻器內(nèi)部，逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)損耗最大，其余是 電子元器件的熱損耗和風(fēng)機(jī)損耗，變頻器的效率一般為95%-96%,因此在計(jì)算變 頻調(diào)速節(jié)能時(shí)要將變頻器的4%-5%的損耗考慮在內(nèi)。如考慮了變頻器的損耗本文 例1中計(jì)算的節(jié)能率，就不是36%,而應(yīng)該為31%-32%,這樣的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際 節(jié)能率更為接近。五、結(jié)語(yǔ)一般情況下，變頻器用F50Hz調(diào)速控制。不管是平方轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載，還是 恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載，調(diào)速才能節(jié)能，不調(diào)速在工頻下

15、運(yùn)行是沒(méi)有節(jié)能效果的。有時(shí) 系統(tǒng)功率因數(shù)很低，使用變頻器后也有節(jié)能效果，這不是變頻調(diào)速節(jié)能，而是補(bǔ) 償功率因數(shù)帶來(lái)的節(jié)能。本文所述的對(duì)變頻調(diào)速節(jié)能計(jì)算方法有極好的實(shí)用性。附錄山變頻改造節(jié)能預(yù)算方法（XXXX公司）離心風(fēng)機(jī)節(jié)電率計(jì)算方法：1. 電機(jī)工頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)功率 = 1.732*實(shí)際電壓*實(shí)際電流*電機(jī)功率因數(shù)2. 變頻器運(yùn)行時(shí)的電機(jī)效率【變頻器的功率因數(shù)二0.96】A. 【如果是用負(fù)壓此時(shí)風(fēng)門(mén)全開(kāi)計(jì)算】電機(jī)效率n =（岳麻/額定壓）3/0,96B. 【如果是用風(fēng)門(mén)開(kāi)度計(jì)算】電機(jī)效率n =（風(fēng)量）3/o. 96根據(jù)表1杳出【風(fēng)量】及【入口門(mén)控制】或【出口門(mén)控制】的值Pe 其中風(fēng)量是個(gè)白分比值

16、，入口門(mén)控制或出口門(mén)控制是軸功率百分比值3. 變頻器功率兒二（Wc / A） *q，如果是風(fēng)門(mén)全開(kāi)的，則Pe=l4. 節(jié)電功率Wj = Wc - WB5. 節(jié)電率二Wj/Wg6. 年節(jié)電量二節(jié)電率*時(shí)間7. 年節(jié)約電費(fèi)二年節(jié)電量*電價(jià)以用負(fù)壓計(jì)算為例：額定電圧為9.75KV,運(yùn)行電流為42A,工頻時(shí)最大負(fù)壓為 2900,變頻運(yùn)行負(fù)床為2600o電機(jī)功率因數(shù)為0. 85o那么電機(jī)工頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)功率為：1. 732*9. 75*0. 85*42=602. 8電機(jī)效率：（J 2600/2900 ） 3 /0. 96=89%節(jié)電率：100% - 89% 二 11%變頻器功率為：602. 8*0. 89

17、=536. 5602. 8-536. 5=66. 3年節(jié)電電費(fèi)為：330*24*66. 3*0. 5二26. 26萬(wàn)元表1.離心式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同風(fēng)量（風(fēng)門(mén)開(kāi)度）和不同控制方式時(shí)的風(fēng)機(jī)軸功率風(fēng)門(mén)開(kāi)度（）風(fēng)量（Qe）入口門(mén)控制（Pe）出口門(mén)控制（Pe）102C52 %60 %153054 %67 %204056 %74 %255C58 %81 %305860 %85 %356563 %89 %407165 %91 %457768 %93 %508171 %94 %558373 %95 %608575 %96 %658778 %97 %708980 %97.5%759183 %98 %809386

18、%98. 5%859590 %99 %909795 %99.5%959998 %99. 8%100100100 %100 %附錄2：變頻改造節(jié)能預(yù)算方法（XXXX公司）一、變頻改造前風(fēng)機(jī)的運(yùn)行匚況1、風(fēng)機(jī)進(jìn)口調(diào)節(jié)：流量減少，壓力也減少，如下圖（易產(chǎn)生汽蝕，很少用）2、風(fēng)機(jī)出口調(diào)節(jié)：流最減少，壓力增大，如下圖 風(fēng)機(jī)一般采用進(jìn)口風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)，一般采用出口閥門(mén)調(diào)節(jié)，采用進(jìn)口調(diào) 節(jié)容易產(chǎn)生氣蝕進(jìn)口調(diào)節(jié)比同種工況下用出口調(diào)節(jié)，在變頻改造時(shí)對(duì)節(jié)能星計(jì)算不 利 風(fēng)機(jī)靜揚(yáng)程一般為0,的靜揚(yáng)程一般不為03、改造前電機(jī)功率實(shí)際運(yùn)行的功率采用P= Vspcoso計(jì)算得岀，因功率因數(shù)的取值有一定偏差而造成較大誤差，銘牌功

19、率因素是指額定工況下功率因素，因?qū)嶋H運(yùn)行功 率大多數(shù)小于額定電流，功率因素應(yīng)小于額定功率因素，一般講，電流在50% 額定時(shí)，功率因素在0.7左右。二、節(jié)能計(jì)算：1、夠提供工作特性HQ曲線和管路阻力莊線侖為工頻運(yùn)行時(shí)額定流量，&為實(shí)際工況流量，以下為變頻改造前后負(fù)載 耗能分析（以下均不考慮電機(jī)和風(fēng)機(jī)效率）。圖中，曲線1為管路阻力曲線，曲線2為轉(zhuǎn)速恒定時(shí)（一般為額定轉(zhuǎn)速）的H Q曲線，曲線3為B點(diǎn)相似工況曲線。如圖，當(dāng)流量從Q1降到Q3時(shí)，減小閥門(mén)開(kāi)度，工作點(diǎn)從A點(diǎn)移到D點(diǎn)， 忽略機(jī)和電機(jī)效率變化，電機(jī)功率由宅佝。變化到SqjAH.。，變化不明顯。采用變頻調(diào)速以后，根據(jù)管路阻力曲線1得知的工作點(diǎn)將從A（G,禺） 變?yōu)锽 （G,幺），求岀B點(diǎn)的相似工況曲線3,得出曲線3和曲線1的交點(diǎn)C （G,禺），C點(diǎn)即為B點(diǎn)在額定轉(zhuǎn)速下的相似工況點(diǎn)。由于相似工作點(diǎn)的特性知揚(yáng)程和流量的二次方成正比，所以曲線3為HKQ，根據(jù)工作點(diǎn)b得到由比率定律，得到B點(diǎn)的轉(zhuǎn)速所以此時(shí)電機(jī)輸出功率%2)式中只為工作點(diǎn)c的電機(jī)功率。節(jié)省功率為4=d-(%)3*-4«為嚴(yán)中(3%-4%)(當(dāng)計(jì)算變頻改造后功率較大時(shí)，取3%,較小時(shí)取4%,下同)P=(Q/ )3* z?P«=(Q/ )3* Z7計(jì)算誤區(qū)：調(diào)速后的電