變頻調速技術在應用中的節(jié)能分析

1、變頻調速技術在應用中的節(jié)能分析  2004-11-18 一、引言 工業(yè)生產和產品加工制造業(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、維修費用占到生產成本的7%25%，是一筆不小的生產費用開支。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)已成為降低生產成本、提高產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工藝要求調整轉速輸出，從而降低電機功耗達到系統(tǒng)高

2、效運行的目的。八十年代末，該技術引入我國并得到推廣。現(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。卓越的調速性能、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、產品加工制造業(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。而最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

3、對象。這樣，不論生產的需求大小，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

4、響生產、危及產品質量。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

5、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：Qn，Hn2，Pn3；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

6、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（c·b）×10-3得出。其中，P、Q、H、c、b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（c·b）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

7、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

8、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。2、 以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流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

9、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·hW2=45×13×（95%20%）×300?=131625kW·hW=W1W2=46035131625=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)

10、鍋爐使用的22?kW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·hW2=22×13×1（20/50）3×300=80309kW·hWb=W1W2=1606780309=96376?kW·h擋板開度時的節(jié)電量為：W1=2

11、2×（198%）×11×300=1452kW·hW2=22×（170%）×11×300=21780kW·hWd=W1W2=145221780=23232?kW·h相比較節(jié)電量為：W=WbWd=9637623232=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

12、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47 2 33.2×2=66.4 28.39×2=56.840 8 30×8=240 21.16×8=169.330 4 27×4=108 13.88×4=55.520 10 23.9×10=239 9.67×10=96.7合計 24 653.4 378.3相比之下，在一天內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

13、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個月的生產中全部收回。巨化集團公司熱電廠#8爐為280T/H鍋爐，采用雙引風機式，風機型號為Y4-60-11N022.5D，配置功率為630KW，電壓為6KV的三相交流異步電動機，風門采用檔板調節(jié)，正常運行開度為50%左右，形成檔板兩側風壓差，造成節(jié)流損失；同時風機檔板執(zhí)

14、行機構為大力矩電動執(zhí)行機構，故障較多，風機自動率較低。為此我們對引風量調節(jié)進行變頻調速技術改造，以達到節(jié)能降耗及提高調節(jié)自動化水平?，F(xiàn)就改造過程中的一些工作情況介紹如下：一、 變頻器容量的選擇一般情況下變頻器容量大小的選擇與電動機容量相同，這樣能滿足電機在額定出力內進行不同轉速的調節(jié)。但在現(xiàn)實生產工作中，根據(jù)實際運行工況來選擇合適的變頻器容量，既能滿足生產需要，又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設施。我們根據(jù)我廠#8爐引風機的配置及正常運行工況，了解到當時設計人員考慮風道內裝有脫硫裝置以及檔板開度在70%左右調節(jié)特性較好，所以配置了630KW的電機。同時我們也對額定工況下引風機功率進行了分析，在各種

15、工況下引風機功率都不會大于350KW。我們認為如果采用變頻調速，風門全開，節(jié)流損失會較大減少，風機的功率將更不會大于350KW。為此，選擇容量為400KW的變頻器應能滿足上述風機在各種工況下不同轉速調節(jié)的要求。 二、采用變頻調速后的效益預測 利用變頻器作為風量的調節(jié)器，最直接的效益就是節(jié)能降耗。各用戶可根據(jù)自己的的改造對象進行初步分析計算，以了解改造后節(jié)能的投資回報率及風機運行的一些基本參數(shù)。采用變頻調速的主要特點是消除或減少檔板的節(jié)流損失，節(jié)能的效果與風機的性能、運行工況、檔板的開度等有關。下面就例舉我廠#8爐風機改造測算情況作一介紹：1 了解引風機性能曲線型號為Y4-60-11N022.5

16、D，其風機性能參數(shù)為：表1（由廠家提供）工況AB風機流量（m3/s）41.4782.97風機全壓（Pa）62113546軸功率 （KW）328405介質密度（Kg/m3）085085轉速 （r/min）980980根據(jù)表1所給參數(shù)畫出流量、壓力曲線（AB）：2、對風機進行實際工況測量我廠2002年9月9日的測試結果如下：序號名稱單位#1引風機#2引風機1鍋爐蒸發(fā)量T/H264.362602風機轉速r/min9959953風門開度%34594介質密度Kg/ 1.0241.025風機全壓Pa2126.732323.376風機進口流量/s35.0235.737風機有效功率kw74.7883.008軸

17、功率kw328.90307.559電機輸入功率kw339.00317.0010風機設備效率%21.9726.1811風機單位電耗Kw.h/t1.2821.2193、利用相似理論分析風機采用變頻后的參數(shù) 圖1中AB曲線是風機性能曲線，在近似額定轉速下，表示風機流量與風壓之間的關系。但在實際運行工況中表2所示，風機全壓、流量參數(shù)只需在圖1中C點運行。在沒有改造前，風機電機轉速不能變，只能靠風門節(jié)流。采用變頻調節(jié)，風門全開，可根據(jù)工況所需的風機全壓、流量來改變轉速。根據(jù)風機相似理論，風機性能參數(shù)之間關系為： 根據(jù)上述關系以及表2所示的運行工況，風機變頻后的運行性能曲線下移為圖1（abc）所示，其關系

18、式為： 4、相關參數(shù)估算 4.1 表2工況下轉速計算： 從圖1(abc)性能曲線所示，為了方便計算，近似認為性能曲線成線性關系，由（1）（5）式可求得變頻后的風機轉速為：4.2 風機全壓效率估算：風機有效功率=全壓*流量/1000風機全壓效率=有效功率/軸功率由表1提供的工況A和工況B數(shù)據(jù)可得，風機的全壓效率為0。785和0。726。因此變頻調速后的風機全壓效率可按0。75進行估算。4.3 變頻調速后功率估算： 風機有效功率=全壓*流量/1000風機軸功率=風機有效功率/全壓效率電功率=風機軸功率/（變頻器效率*電機效率）其中：變頻器效率取0。96，電機效率取0。95。計算后參數(shù)匯總見表3： 序號名稱單位#1引風機#2引風機1風機轉速r/min5846062介質密度Kg/ 1.0241.023風機全壓Pa2126.732323.374風機進口流量/s35.02