變頻調(diào)速技術(shù)在應(yīng)用中的節(jié)能分析

1、變頻調(diào)速技術(shù)在應(yīng)用中的節(jié)能分析  2004-11-18 一、引言 工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛；其電能消耗和諸如閥門(mén)、擋板相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護(hù)、維修費(fèi)用占到生產(chǎn)成本的7%25%，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，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(lái)的變頻調(diào)速技術(shù)，正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的要求，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的智能電機(jī)時(shí)代。一改普通電動(dòng)機(jī)只能以定速方式運(yùn)行的陳舊模式，使得電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)負(fù)載在無(wú)須任何改動(dòng)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(jī)功耗達(dá)到系統(tǒng)高

2、效運(yùn)行的目的。八十年代末，該技術(shù)引入我國(guó)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(jī)傳動(dòng)設(shè)備中得到實(shí)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(dòng)技術(shù)的一個(gè)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(yùn)行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)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(jī)設(shè)備主要用于鍋爐燃燒系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等場(chǎng)合，根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況。而最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度的大小來(lái)調(diào)整受控

3、對(duì)象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門(mén)、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過(guò)程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)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(hù)、維修費(fèi)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(chǔ)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(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(jìn)行流量、壓力、水位等信號(hào)的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費(fèi)，管路、閥門(mén)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(shí)損壞設(shè)備、影

4、響生產(chǎn)、危及產(chǎn)品質(zhì)量。風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備多數(shù)采用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行，存在啟動(dòng)電流大、機(jī)械沖擊、電氣保護(hù)特性差等缺點(diǎn)。不僅影響設(shè)備使用壽命，而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護(hù)設(shè)備，時(shí)常出現(xiàn)泵損壞同時(shí)電機(jī)也被燒毀的現(xiàn)象。近年來(lái)，出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器（簡(jiǎn)稱變頻器）易操作、免維護(hù)、控制精度高，并可以實(shí)現(xiàn)高功能化等特點(diǎn)；因而采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案開(kāi)始逐步取代風(fēng)門(mén)、擋板、閥門(mén)的控制方案。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通

5、過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)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(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、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：Qn，Hn2，Pn3；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(tái)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(mén)全開(kāi)時(shí)的管阻特性為r0,額定工況下與之對(duì)應(yīng)的壓力為H1,出口流量為Q1。流量-轉(zhuǎn)速-壓力關(guān)系曲線如下圖所示。在現(xiàn)場(chǎng)控制中，通常采用水泵定速運(yùn)

6、行出口閥門(mén)控制流量。當(dāng)流量從Q1減小50%至Q2時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞1，系統(tǒng)工作點(diǎn)沿方向I由原來(lái)的A點(diǎn)移至B點(diǎn)；受其節(jié)流作用壓力H1變?yōu)镠2。水泵軸功率實(shí)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(dòng)裝置效率，直接傳動(dòng)為1。假設(shè)總效率（c·b）為1，則水泵由A點(diǎn)移至B點(diǎn)工作時(shí)，電機(jī)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(shí)，那么管網(wǎng)阻力特性為同一曲線r0，系統(tǒng)工作點(diǎn)將沿方向II由原來(lái)的A點(diǎn)

7、移至C點(diǎn)，水泵的運(yùn)行也更趨合理。在閥門(mén)全開(kāi)，只有管網(wǎng)阻力的情況下，系統(tǒng)滿足現(xiàn)場(chǎng)的流量要求，能耗勢(shì)必降低。此時(shí)，電機(jī)節(jié)省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門(mén)開(kāi)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(mén)調(diào)節(jié)時(shí)將使系統(tǒng)壓力H升高，這將對(duì)管路和閥門(mén)的密封性能形成威脅和破壞；而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)壓力H將隨泵轉(zhuǎn)速n的降低而降低，因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。從上面的比較不難得出：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水泵流量的需求從100%降至50%時(shí)，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)將比原來(lái)的閥門(mén)調(diào)節(jié)節(jié)省BCH3H2所對(duì)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

8、變頻調(diào)速技術(shù)改變泵類、風(fēng)機(jī)類設(shè)備轉(zhuǎn)速來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度、水位等其它過(guò)程控制參量，同樣可以依據(jù)系統(tǒng)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(jī)轉(zhuǎn)速的方法，要比采用閥門(mén)、擋板調(diào)節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟(jì)，設(shè)備運(yùn)行工況也將得到明顯改善。四、節(jié)能計(jì)算對(duì)于風(fēng)機(jī)、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(jìn)行計(jì)算：1、 根據(jù)已知風(fēng)機(jī)、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(chǎng)運(yùn)行的負(fù)荷變化情況進(jìn)行計(jì)算。2、 以一臺(tái)IS150-125-400型離心泵為例，額定流200.16m3/h，揚(yáng)程50m；配備Y225M-4型電動(dòng)機(jī)，額定功率45kW。泵在閥門(mén)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)的流量負(fù)載曲

9、線如下圖示。根據(jù)運(yùn)行要求，水泵連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行，其中每天11小時(shí)運(yùn)行在90%負(fù)荷，13小時(shí)運(yùn)行在50%負(fù)荷；全年運(yùn)行時(shí)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(jì)算，則每年可節(jié)約電費(fèi)8.883萬(wàn)元。2、根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式：P/P0=（n/n0）3計(jì)算，式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時(shí)的功率；P為轉(zhuǎn)速n時(shí)的功率。以一臺(tái)工業(yè)

10、鍋爐使用的22?kW鼓風(fēng)機(jī)為例。運(yùn)行工況仍以?24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，其中每天11小時(shí)運(yùn)行在90%負(fù)荷（頻率按46Hz計(jì)算,擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按98%計(jì)算），13小時(shí)運(yùn)行在50%負(fù)荷（頻率按20Hz計(jì)算，擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按70%計(jì)算）；全年運(yùn)行時(shí)間在300天為計(jì)算依據(jù)。則變頻調(diào)速時(shí)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(kāi)度時(shí)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(jì)算，則采用變頻調(diào)速每年可節(jié)約電費(fèi)3.657萬(wàn)元。某工廠離心式水泵參數(shù)為：離心泵型號(hào)6SA-8，額定流量53.5L/s，揚(yáng)程50m；所配電機(jī)Y200L2-2型37kW。對(duì)水泵進(jìn)行閥門(mén)節(jié)流控制和電機(jī)調(diào)速控制情況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄如下：流量L/s時(shí)間（h）消

12、耗電網(wǎng)輸出的電能（kW·h）閥門(mén)節(jié)流調(diào)節(jié) 電機(jī)變頻調(diào)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(jì) 24 653.4 378.3相比之下，在一天內(nèi)變頻調(diào)速可比閥門(mén)節(jié)流控制節(jié)省275.1kW·h的電量，節(jié)電率達(dá)42.1%。五、結(jié)束語(yǔ)風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行是我國(guó)節(jié)能的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù)，受到國(guó)家政府

13、的普遍重視，中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法第39條就把它列為通用技術(shù)加以推廣。實(shí)踐證明，變頻器用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制場(chǎng)合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)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(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，設(shè)備一次性投資通?？梢栽?個(gè)月到16個(gè)月的生產(chǎn)中全部收回。巨化集團(tuán)公司熱電廠#8爐為280T/H鍋爐，采用雙引風(fēng)機(jī)式，風(fēng)機(jī)型號(hào)為Y4-60-11N022.5D，配置功率為630KW，電壓為6KV的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，風(fēng)門(mén)采用檔板調(diào)節(jié)，正常運(yùn)行開(kāi)度為50%左右，形成檔板兩側(cè)風(fēng)壓差，造成節(jié)流損失；同時(shí)風(fēng)機(jī)檔板執(zhí)

14、行機(jī)構(gòu)為大力矩電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，故障較多，風(fēng)機(jī)自動(dòng)率較低。為此我們對(duì)引風(fēng)量調(diào)節(jié)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，以達(dá)到節(jié)能降耗及提高調(diào)節(jié)自動(dòng)化水平。現(xiàn)就改造過(guò)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(dòng)機(jī)容量相同，這樣能滿足電機(jī)在額定出力內(nèi)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工作中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況來(lái)選擇合適的變頻器容量，既能滿足生產(chǎn)需要，又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設(shè)施。我們根據(jù)我廠#8爐引風(fēng)機(jī)的配置及正常運(yùn)行工況，了解到當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)人員考慮風(fēng)道內(nèi)裝有脫硫裝置以及檔板開(kāi)度在70%左右調(diào)節(jié)特性較好，所以配置了630KW的電機(jī)。同時(shí)我們也對(duì)額定工況下引風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行了分析，在各種

15、工況下引風(fēng)機(jī)功率都不會(huì)大于350KW。我們認(rèn)為如果采用變頻調(diào)速，風(fēng)門(mén)全開(kāi)，節(jié)流損失會(huì)較大減少，風(fēng)機(jī)的功率將更不會(huì)大于350KW。為此，選擇容量為400KW的變頻器應(yīng)能滿足上述風(fēng)機(jī)在各種工況下不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。 二、采用變頻調(diào)速后的效益預(yù)測(cè) 利用變頻器作為風(fēng)量的調(diào)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(duì)象進(jìn)行初步分析計(jì)算，以了解改造后節(jié)能的投資回報(bào)率及風(fēng)機(jī)運(yùn)行的一些基本參數(shù)。采用變頻調(diào)速的主要特點(diǎn)是消除或減少檔板的節(jié)流損失，節(jié)能的效果與風(fēng)機(jī)的性能、運(yùn)行工況、檔板的開(kāi)度等有關(guān)。下面就例舉我廠#8爐風(fēng)機(jī)改造測(cè)算情況作一介紹：1 了解引風(fēng)機(jī)性能曲線型號(hào)為Y4-60-11N022.5

16、D，其風(fēng)機(jī)性能參數(shù)為：表1（由廠家提供）工況AB風(fēng)機(jī)流量（m3/s）41.4782.97風(fēng)機(jī)全壓（Pa）62113546軸功率 （KW）328405介質(zhì)密度（Kg/m3）085085轉(zhuǎn)速 （r/min）980980根據(jù)表1所給參數(shù)畫(huà)出流量、壓力曲線（AB）：2、對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)際工況測(cè)量我廠2002年9月9日的測(cè)試結(jié)果如下：序號(hào)名稱單位#1引風(fēng)機(jī)#2引風(fēng)機(jī)1鍋爐蒸發(fā)量T/H264.362602風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速r/min9959953風(fēng)門(mén)開(kāi)度%34594介質(zhì)密度Kg/ 1.0241.025風(fēng)機(jī)全壓Pa2126.732323.376風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量/s35.0235.737風(fēng)機(jī)有效功率kw74.7883.008軸

17、功率kw328.90307.559電機(jī)輸入功率kw339.00317.0010風(fēng)機(jī)設(shè)備效率%21.9726.1811風(fēng)機(jī)單位電耗Kw.h/t1.2821.2193、利用相似理論分析風(fēng)機(jī)采用變頻后的參數(shù) 圖1中AB曲線是風(fēng)機(jī)性能曲線，在近似額定轉(zhuǎn)速下，表示風(fēng)機(jī)流量與風(fēng)壓之間的關(guān)系。但在實(shí)際運(yùn)行工況中表2所示，風(fēng)機(jī)全壓、流量參數(shù)只需在圖1中C點(diǎn)運(yùn)行。在沒(méi)有改造前，風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速不能變，只能靠風(fēng)門(mén)節(jié)流。采用變頻調(diào)節(jié)，風(fēng)門(mén)全開(kāi)，可根據(jù)工況所需的風(fēng)機(jī)全壓、流量來(lái)改變轉(zhuǎn)速。根據(jù)風(fēng)機(jī)相似理論，風(fēng)機(jī)性能參數(shù)之間關(guān)系為： 根據(jù)上述關(guān)系以及表2所示的運(yùn)行工況，風(fēng)機(jī)變頻后的運(yùn)行性能曲線下移為圖1（abc）所示，其關(guān)系

18、式為： 4、相關(guān)參數(shù)估算 4.1 表2工況下轉(zhuǎn)速計(jì)算： 從圖1(abc)性能曲線所示，為了方便計(jì)算，近似認(rèn)為性能曲線成線性關(guān)系，由（1）（5）式可求得變頻后的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為：4.2 風(fēng)機(jī)全壓效率估算：風(fēng)機(jī)有效功率=全壓*流量/1000風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的全壓效率為0。785和0。726。因此變頻調(diào)速后的風(fēng)機(jī)全壓效率可按0。75進(jìn)行估算。4.3 變頻調(diào)速后功率估算： 風(fēng)機(jī)有效功率=全壓*流量/1000風(fēng)機(jī)軸功率=風(fēng)機(jī)有效功率/全壓效率電功率=風(fēng)機(jī)軸功率/（變頻器效率*電機(jī)效率）其中：變頻器效率取0。96，電機(jī)效率取0。95。計(jì)算后參數(shù)匯總見(jiàn)表3： 序號(hào)名稱單位#1引風(fēng)機(jī)#2引風(fēng)機(jī)1風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速r/min5846062介質(zhì)密度Kg/ 1.0241.023風(fēng)機(jī)全壓Pa2126.732323.374風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量/s35.02