工廠車間通風降溫變頻調速技術在風機、泵類應用中的節能分析變頻

一、引言

在工業生產和產品加工制造業中，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。隨著經濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加��；節能降耗業已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一。

而八十年代初發展起來的變頻調速技術，正是順應了工業生產自動化發展的要求，開創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工程高效運行的目的。

八十年代末，該技術引入我國并得到推廣�，F已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業的電機傳動設備中得到實際應用。目前，變頻調速技術已經成為現代電力傳動技術的一個主要發展方向。卓越的調速性能、顯著的節電效果，改善現有設備的運行工況，提高工程的安全可靠性和設備利用率，延長設備使用壽命等優點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現。

二、綜述

通常在工業生產、產品加工制造業中風機設備主要用于鍋爐燃燒工程、烘干工程、冷卻工程、通風工程等場合，根據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風門、擋板開度的大小來調整受控對象。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、水池儲罐給排工程、工業水（油）循環工程、熱交換工程均使用離心泵、軸流泵、齒輪泵、柱塞泵等設備。而且，根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進行流量、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、影響生產、危及產品質量。

風機、泵類設備多數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，而且當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現泵損壞同時電機也被燒毀的現象。

近年來，出于節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電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n =60 f（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）；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品。

三、節能分析

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阻力特性由r0變為r1，工程工作點沿方向I由原來的A點移至B點；受其節流作用壓力H1變為H2。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，那么管網阻力特性為同一曲線r0，工程工作點將沿方向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，只有管網阻力的情況下，工程滿足現場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調節和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節能效果。

另外，從圖中還可以看出：閥門調節時將使工程壓力H升高，這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞；而轉速調節時，工程壓力H將隨泵轉速n的降低而降低，因此不會對工程產生不良影響。

從上面的比較不難得出：當現場對水泵流量的需求從100%降至50%時，采用轉速調節將比原來的閥門調節節省BCH3H2所對應的功率大小，節能率在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場壓力、溫度、水位等其它過程控制參量，同樣可以依據工程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、擋板調節更為節能經濟，設備運行工況也將得到明顯改善。

四、節能計算

對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：

1、根據已知風機、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。泵在閥門調節和轉速調節時的流量－負載曲線如下圖示。根據運行要求，水泵連續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，則每年可節約電費8.883萬元。

2、根據風機、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。

以一臺工業鍋爐使用的22 kW鼓風機為例。運行工況仍以 24小時連續運行，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，擋板調節時電機功耗按70%計算）；全年運行時間在300天為計算依據。

則變頻調速時每年的節電量為：

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

相比較節電量為：W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW·h

每度電按0.5元計算，則采用變頻調速每年可節約電費3.657萬元。

某工廠離心式水泵參數為：離心泵型號6SA-8，額定流量53. 5 L/s，揚程50m；所配電機Y200L2-2型37 kW。對水泵進行閥門節流控制和電機調速控制情況下的實測數據記錄如下：

1、前言
目前我國是世界上最大的發展中國家，自然資源的依賴程度約占60%以上，能源問題是一個嚴峻的挑戰，尤其是近幾年煤荒、電荒已嚴重制約著國民經濟的發展，用電高峰時期許多生產企業和部門不得不拉閘限電。從根本上解決能源問題有兩條途徑：一是開源，二是節能。變頻節能技術就是針對工頻負載并非是所有用電設備的最佳工作頻率及負荷，因而導致許多設備長期處于低效率，應用面廣、見效快、投資回收期短的高效節能新技術，目前在冶金、礦山、石油、化工、醫藥、紡織、機械、電力、建材、造紙、印刷、供水、空調等各行各業已得到廣泛的應用。
本文結合河南利華制藥有限責任公司近幾年來在設備變頻改造中的應用情況，對制藥待業常見負載變頻改造及應用選擇作一總結。該企業是一家外資企業，管理規范，效益良好，是本地區制藥行業的佼佼者，公司領導及技術人員有著極強的成本競爭意識，非常重視節能降耗的技術改造自1999年起先后對泵類、空壓機、攪拌器、風機、離心機、冰機等六大類負載三百多臺電機負載進行了變頻節能及調速改造。

2、各類負載改造情況

2.1泵類負載
泵類負載量大而廣，主要有冰水泵、循環水泵、冷凍水泵、深井潛水泵、排污水泵、真空泵等，泵類負載一般屬于平方轉矩類負載，故從變頻器的選型上一般選用風機泵類型同功率變頻器，而深井潛水泵、真空泵相對負載較大，根據經驗一般選用放大一檔功率的風機泵類型變頻器或選用同功能恒轉矩類變頻器。變頻器控制方式一般采用閉環或開環，如對潛水泵，采用出口恒壓供水方式，對循環水泵，冷凍水泵采用恒溫差閉環控制。根據該企業的節電統計結果，泵類設備的節電率一般在22~51%，是節電效果較好的負載。

2.2空壓機負載
該企業共有空壓機8臺，其中132KW2臺，110KW2臺，22KW2臺，37KW2臺，均為活塞式空壓機。2臺132KW空壓機原采用調節進氣口閥門調節出口壓力，電機為繞線 環電機，主要為發酵罐供氣，生產工藝要求供氣平穩，壓力波動最大應小于0.04MPa，而生產用氣量時常變化，供氣壓力波動頻繁，為此供氣壓力由操作人員不斷調節進氣閥門來滿足工藝要求。同時原電機起動方式為 電阻降壓起動，起動時對電網沖擊大，對空壓機本身也有較大損害，機房噪音也較大。
2002年對該2臺空壓機進行了變頻恒壓供氣改造，考慮到空壓機負載的連續性及機房環境溫度，采用了2臺160KW變頻器，一對一實施變頻改造。保留原工頻降壓回路，變頻器與原工頻降壓控制柜互鎖，確保緊急情況下仍可采用原降壓控制工程。在變頻控制時，應將繞線電機 環短路，壓力反饋信號由普通YZT-1.0MPa耐震遠傳壓力檢測。

壓力信號輸入PCS-PID調節器，調節器輸出兩路0~10V信號給二臺變頻器，從而調節空壓機恒壓供氣。根據車間用氣情況調節空壓機運行臺數。
變頻改造后管網壓力始終保持在0.19MPa，實際壓力波小于004MPa，而且 根據生產需要任意無擾動調速管網壓力。同時空壓機運行噪音大大降低，更換傳送皮帶次數減少。變頻改造后空壓機工作電流一般在105~130A之間，工作電流下降了20~80A，平均節電率為53%，其它空壓機變頻改造節電率在30~40%。值得注意的是，空壓機變頻改造節電情況根據多個企業負載情況而不同，也與空壓機變頻控制模式有很大關系，根據經驗，一般多臺空壓機并聯工作情況變頻改造節電量在10~25%之間。

2.3攪拌器（發酵罐、攪拌罐）類負載
攪拌器類負載也是制藥車間最常見、比較多的負載，功率規格較多，目前該企業5.5KW以上攪拌電機近100臺全部進行了變頻改造，最大功能為90KW。大部分攪拌器類負載穩定，其轉矩特性介于平方轉矩與恒能矩之間，節能潛力較大，從變頻器選型上選擇同等功率的恒能矩變頻器。另外有3臺11KW抽 罐在第二道工序壓濾后，罐內物料出現 結性團塊物料，采用普通性能變頻器易出現起動困難，要適當放大變頻器功率。根據該企業的節電設計結果，攪拌器類負載變頻改造節電氣平均在23~52%。

2.4離心機類負載
離心機類負載為大慣性負載，功率級別分5.5KW、7.5KW、11KW三種，共計40余臺，全部進行了變頻改造，由于離心機慣性大，起動轉矩較大，起動時間較長，變頻器均按恒轉矩類變頻器放大一檔選擇。由于變頻器沒有外加制動電阻，離心機停機時間較長，而且變頻停車方式應設置為自由停車（滑行停車、慣性停車）模式.若采用減速停車模式，容易出現過壓報警。離心機類負載變頻改造節電效果巨大，平均節電率在40%以上。個別設備出現共振現象，通過調整跳躍頻率避開。

2.5風機類負載及其它負載
該企業的風類負載不多，主要是鍋爐鼓、引風機，但節電率比較高。傳統鍋爐鍋引風機采用調節檔風板開度來調節風量，浪費大量電能，采用變頻調速，即可節電，可減少機械磨損，延長設備壽命。該企業鍋爐風機變頻改造節電率為35~50%。

3、總結
另外在冰機類負載上也進行了改造試驗，改造的冰機為75KW 罐氨壓縮機，采用溫度閉環控制，由于氨壓縮機并聯臺數較多，變頻改造后節電效果不佳，節電率只有7%。很多企業對節能工作不太重視，認為不值得做，一味注重投資新設備、新項目，擴大再生產。而利華公司通過這幾年的節電改造工作，確確實實認識到這是一項利國利民的好事，通過變頻改造，可獲得綜合的經濟效益，節省有功功率，節省峰值電能。以2003年為例，全年投入變頻改造費用近100萬元，當年節約電費70萬元。此外，采用變頻后，負載及電網功率因 ，節省無 電能，2003年該企業有2臺1000KVA變壓器，而且常常滿負荷，2003年第二、第三批變頻改造后，電網負荷大大降，并報停了一臺變壓器。另外，采用變頻后，電機故障率降低，明顯延長了機械設備的壽命，目前新上的設備也全部配套了東芝VF-A7系列變頻器。

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