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工廠車間通風(fēng)降溫變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機、泵類應(yīng)用中的節(jié)能分析變頻
在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機、泵類設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛；其電能消耗和諸如閥門、擋板相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護、維修費用占到生產(chǎn)成本的7%~25%，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��；節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一。
而八十年代初發(fā)展起來的變頻調(diào)速技術(shù)，正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)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(fù)載在無須任何改動的情況下即可以按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電機功耗達(dá)到工程高效運行的目的。
八十年代末，該技術(shù)引入我國并得到推廣�，F(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(shè)備中得到實際應(yīng)用。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善現(xiàn)有設(shè)備的運行工況，提高工程的安全可靠性和設(shè)備利用率，延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點隨著應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)、產(chǎn)品加工制造業(yè)中風(fēng)機設(shè)備主要用于鍋爐燃燒工程、烘干工程、冷卻工程、通風(fēng)工程等場合，根據(jù)生產(chǎn)需要對爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機都要全速運轉(zhuǎn)，而運行工況的變化則使得能量以風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。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(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護、維修費用高居不下。
泵類設(shè)備在生產(chǎn)領(lǐng)域同樣有著廣闊的應(yīng)用空間，提水泵站、水池儲罐給排工程、工業(yè)水（油）循環(huán)工程、熱交換工程均使用離心泵、軸流泵、齒輪泵、柱塞泵等設(shè)備。而且，根據(jù)不同的生產(chǎn)需求往往采用調(diào)整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設(shè)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(yán)重時損壞設(shè)備、影響生產(chǎn)、危及產(chǎn)品質(zhì)量。
風(fēng)機、泵類設(shè)備多數(shù)采用異步電動機直接驅(qū)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(shè)備使用壽命，而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設(shè)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(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)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(qū)動的方案開始逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達(dá)到改變電機轉(zhuǎn)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(shù)，電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。
三、節(jié)能分析
通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為n0,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應(yīng)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(dāng)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，工程工作點沿方向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(shè)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(diào)速手段改變水泵的轉(zhuǎn)速n，當(dāng)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，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(wǎng)阻力的情況下，工程滿足現(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(diào)節(jié)和水泵轉(zhuǎn)速控制，顯然使用水泵轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，工程壓力H將隨泵轉(zhuǎn)速n的降低而降低，因此不會對工程產(chǎn)生不良影響。
從上面的比較不難得出：當(dāng)現(xiàn)場對水泵流量的需求從100%降至50%時，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)將比原來的閥門調(diào)節(jié)節(jié)省BCH3H2所對應(yīng)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(diào)速技術(shù)改變泵類、風(fēng)機類設(shè)備轉(zhuǎn)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)工程控制特性繪制出關(guān)系曲線得出上述的比較結(jié)果。亦即，采用變頻調(diào)速技術(shù)改變電機轉(zhuǎn)速的方法，要比采用閥門、擋板調(diào)節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟，設(shè)備運行工況也將得到明顯改善。
四、節(jié)能計算
對于風(fēng)機、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)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(fēng)機、泵類在不同控制方式下的流量－負(fù)載關(guān)系曲線和現(xiàn)場運行的負(fù)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(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時的流量－負(fù)載曲線如下圖示。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(fù)荷，13小時運行在50%負(fù)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。
2、根據(jù)風(fēng)機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式：
P / P0=（n / n0）3計算，式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時的功率；P為轉(zhuǎn)速n時的功率。
以一臺工業(yè)鍋爐使用的22 kW鼓風(fēng)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(fù)荷（頻率按46Hz計算,擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負(fù)荷（頻率按20Hz計算，擋板調(diào)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(diào)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
每度電按0.5元計算，則采用變頻調(diào)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. 5 L/s，揚程50m；所配電機Y200L2-2型37 kW。對水泵進行閥門節(jié)流控制和電機調(diào)速控制情況下的實測數(shù)據(jù)記錄如下：
1、前言
目前我國是世界上最大的發(fā)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(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是近幾年煤荒、電荒已嚴(yán)重制約著國民經(jīng)濟的發(fā)展，用電高峰時期許多生產(chǎn)企業(yè)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(jié)能。變頻節(jié)能技術(shù)就是針對工頻負(fù)載并非是所有用電設(shè)備的最佳工作頻率及負(fù)荷，因而導(dǎo)致許多設(shè)備長期處于低效率，應(yīng)用面廣、見效快、投資回收期短的高效節(jié)能新技術(shù)，目前在冶金、礦山、石油、化工、醫(yī)藥、紡織、機械、電力、建材、造紙、印刷、供水、空調(diào)等各行各業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用。
本文結(jié)合河南利華制藥有限責(zé)任公司近幾年來在設(shè)備變頻改造中的應(yīng)用情況，對制藥待業(yè)常見負(fù)載變頻改造及應(yīng)用選擇作一總結(jié)。該企業(yè)是一家外資企業(yè)，管理規(guī)范，效益良好，是本地區(qū)制藥行業(yè)的佼佼者，公司領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)人員有著極強的成本競爭意識，非常重視節(jié)能降耗的技術(shù)改造自1999年起先后對泵類、空壓機、攪拌器、風(fēng)機、離心機、冰機等六大類負(fù)載三百多臺電機負(fù)載進行了變頻節(jié)能及調(diào)速改造。
2、各類負(fù)載改造情況
2.1泵類負(fù)載
泵類負(fù)載量大而廣，主要有冰水泵、循環(huán)水泵、冷凍水泵、深井潛水泵、排污水泵、真空泵等，泵類負(fù)載一般屬于平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，故從變頻器的選型上一般選用風(fēng)機泵類型同功率變頻器，而深井潛水泵、真空泵相對負(fù)載較大，根據(jù)經(jīng)驗一般選用放大一檔功率的風(fēng)機泵類型變頻器或選用同功能恒轉(zhuǎn)矩類變頻器。變頻器控制方式一般采用閉環(huán)或開環(huán)，如對潛水泵，采用出口恒壓供水方式，對循環(huán)水泵，冷凍水泵采用恒溫差閉環(huán)控制。根據(jù)該企業(yè)的節(jié)電統(tǒng)計結(jié)果，泵類設(shè)備的節(jié)電率一般在22~51%，是節(jié)電效果較好的負(fù)載。
2.2空壓機負(fù)載
該企業(yè)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(diào)節(jié)進氣口閥門調(diào)節(jié)出口壓力，電機為繞線 環(huán)電機，主要為發(fā)酵罐供氣，生產(chǎn)工藝要求供氣平穩(wěn)，壓力波動最大應(yīng)小于0.04MPa，而生產(chǎn)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(diào)節(jié)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(wǎng)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(fù)載的連續(xù)性及機房環(huán)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(yīng)將繞線電機 環(huán)短路，壓力反饋信號由普通YZT-1.0MPa耐震遠(yuǎn)傳壓力檢測。
壓力信號輸入PCS-PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出兩路0~10V信號給二臺變頻器，從而調(diào)節(jié)空壓機恒壓供氣。根據(jù)車間用氣情況調(diào)節(jié)空壓機運行臺數(shù)。
變頻改造后管網(wǎng)壓力始終保持在0.19MPa，實際壓力波小于004MPa，而且 根據(jù)生產(chǎn)需要任意無擾動調(diào)速管網(wǎng)壓力。同時空壓機運行噪音大大降低，更換傳送皮帶次數(shù)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(jié)電率為53%，其它空壓機變頻改造節(jié)電率在30~40%。值得注意的是，空壓機變頻改造節(jié)電情況根據(jù)多個企業(yè)負(fù)載情況而不同，也與空壓機變頻控制模式有很大關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗，一般多臺空壓機并聯(lián)工作情況變頻改造節(jié)電量在10~25%之間。
2.3攪拌器（發(fā)酵罐、攪拌罐）類負(fù)載
攪拌器類負(fù)載也是制藥車間最常見、比較多的負(fù)載，功率規(guī)格較多，目前該企業(yè)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?jǐn)嚢杵黝愗?fù)載穩(wěn)定，其轉(zhuǎn)矩特性介于平方轉(zhuǎn)矩與恒能矩之間，節(jié)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(nèi)物料出現(xiàn) 結(jié)性團塊物料，采用普通性能變頻器易出現(xiàn)起動困難，要適當(dāng)放大變頻器功率。根據(jù)該企業(yè)的節(jié)電設(shè)計結(jié)果，攪拌器類負(fù)載變頻改造節(jié)電氣平均在23~52%。
2.4離心機類負(fù)載
離心機類負(fù)載為大慣性負(fù)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(zhuǎn)矩較大，起動時間較長，變頻器均按恒轉(zhuǎn)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(yīng)設(shè)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(xiàn)過壓報警。離心機類負(fù)載變頻改造節(jié)電效果巨大，平均節(jié)電率在40%以上。個別設(shè)備出現(xiàn)共振現(xiàn)象，通過調(diào)整跳躍頻率避開。
2.5風(fēng)機類負(fù)載及其它負(fù)載
該企業(yè)的風(fēng)類負(fù)載不多，主要是鍋爐鼓、引風(fēng)機，但節(jié)電率比較高。傳統(tǒng)鍋爐鍋引風(fēng)機采用調(diào)節(jié)檔風(fēng)板開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量，浪費大量電能，采用變頻調(diào)速，即可節(jié)電，可減少機械磨損，延長設(shè)備壽命。該企業(yè)鍋爐風(fēng)機變頻改造節(jié)電率為35~50%。
3、總結(jié)
另外在冰機類負(fù)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(huán)控制，由于氨壓縮機并聯(lián)臺數(shù)較多，變頻改造后節(jié)電效果不佳，節(jié)電率只有7%。很多企業(yè)對節(jié)能工作不太重視，認(rèn)為不值得做，一味注重投資新設(shè)備、新項目，擴大再生產(chǎn)。而利華公司通過這幾年的節(jié)電改造工作，確確實實認(rèn)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(jīng)濟效益，節(jié)省有功功率，節(jié)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(dāng)年節(jié)約電費70萬元。此外，采用變頻后，負(fù)載及電網(wǎng)功率因 ，節(jié)省無 電能，2003年該企業(yè)有2臺1000KVA變壓器，而且常常滿負(fù)荷，2003年第二、第三批變頻改造后，電網(wǎng)負(fù)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(shè)備的壽命，目前新上的設(shè)備也全部配套了東芝VF-A7系列變頻器。
工廠車間通風(fēng)降溫
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