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,市場競爭的不斷加劇,節(jié)能降耗已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質量的重要手段之一。

關鍵詞:風機、泵;變頻調速;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對象。這樣,不論生產(chǎn)需求的大小,風機都要全速運轉,根據(jù)運行情況的變化,使得能量以風門、擋板的節(jié)流損失掉了。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。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,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,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。

2 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。

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/(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、傳動裝置效率,直接傳動為1.假設總效率(η c.η 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,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,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。

3 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:

根據(jù)已知風機、泵類在不同控制方式下的流量現(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。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。

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.h

W2=22×13×[1-(20/50)3]×300=80309kW.h

Wb=W1+W2=16067+80309=96376 kW.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=23232 kW.h

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

結束語

在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中,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,設備一次性投資通常可以在9個月到16個月的生產(chǎn)中全部收回。

作者簡介:郝軼學,男,助理工程師,同煤集團忻州窯礦供熱隊從事技術管理工作。