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、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(hù)、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，市場競爭的不斷加劇；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)到系統(tǒng)高

2、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，提高系統(tǒng)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系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)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(jìn)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

3、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(hù)、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

4、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(hù)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(hù)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(hù)、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=60f（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

5、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：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。流量-轉(zhuǎn)速-壓力關(guān)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(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，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(shè)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(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，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(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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)壓力H將隨泵轉(zhuǎn)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(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

8、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)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(jìn)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(jìn)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(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時的流量負(fù)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(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·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(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)

10、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·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(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53.5L/s，揚程50m；所配電機Y200L2-2型37kW。對水泵進(jìn)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：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(diào)節(jié) 電機變頻調(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 24 653.4 378.3相比之下，在一天內(nèi)變頻調(diào)速可比閥門節(jié)流控制節(jié)省275.1kW·h的電量，節(jié)電率達(dá)42.1%。五、結(jié)束語風(fēng)機、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能運行是我國節(jié)能的一項重點推廣技術(shù)，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(shù)加以推廣。實踐證明，變頻器用于風(fēng)機、泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(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(shè)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。巨化集團(tuán)公司熱電廠#8爐為280T/H鍋爐，采用雙引風(fēng)機式，風(fēng)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(fēng)門采用檔板調(diào)節(jié)，正常運行開度為50%左右，形成檔板兩側(cè)風(fēng)壓差，造成節(jié)流損失；同時風(fēng)機檔板執(zhí)

14、行機構(gòu)為大力矩電動執(zhí)行機構(gòu)，故障較多，風(fēng)機自動率較低。為此我們對引風(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)自動化水平。現(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(nèi)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但在現(xiàn)實生產(chǎn)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(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)機的配置及正常運行工況，了解到當(dāng)時設(shè)計人員考慮風(fēng)道內(nèi)裝有脫硫裝置以及檔板開度在70%左右調(diào)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(fēng)機功率進(jìn)行了分析，在各種

15、工況下引風(fēng)機功率都不會大于350KW。我們認(rèn)為如果采用變頻調(diào)速，風(fēng)門全開，節(jié)流損失會較大減少，風(fēng)機的功率將更不會大于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 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)自己的的改造對象進(jìn)行初步分析計算，以了解改造后節(jié)能的投資回報率及風(fēng)機運行的一些基本參數(shù)。采用變頻調(diào)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(fēng)機的性能、運行工況、檔板的開度等有關(guān)。下面就例舉我廠#8爐風(fēng)機改造測算情況作一介紹：1 了解引風(fēng)機性能曲線型號為Y4-60-11N022.5

16、D，其風(fēng)機性能參數(shù)為：表1（由廠家提供）工況AB風(fēng)機流量（m3/s）41.4782.97風(fēng)機全壓（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)畫出流量、壓力曲線（AB）：2、對風(fēng)機進(jìn)行實際工況測量我廠2002年9月9日的測試結(jié)果如下：序號名稱單位#1引風(fēng)機#2引風(fēng)機1鍋爐蒸發(fā)量T/H264.362602風(fēng)機轉(zhuǎn)速r/min9959953風(fēng)門開度%34594介質(zhì)密度Kg/ 1.0241.025風(fēng)機全壓Pa2126.732323.376風(fēng)機進(jìn)口流量/s35.0235.737風(fēng)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(fēng)機設(shè)備效率%21.9726.1811風(fēng)機單位電耗Kw.h/t1.2821.2193、利用相似理論分析風(fēng)機采用變頻后的參數(shù) 圖1中AB曲線是風(fēng)機性能曲線，在近似額定轉(zhuǎn)速下，表示風(fēng)機流量與風(fēng)壓之間的關(guān)系。但在實際運行工況中表2所示，風(fēng)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(fēng)機電機轉(zhuǎn)速不能變，只能靠風(fēng)門節(jié)流。采用變頻調(diào)節(jié)，風(fēng)門全開，可根據(jù)工況所需的風(fēng)機全壓、流量來改變轉(zhuǎn)速。根據(jù)風(fēng)機相似理論，風(fēng)機性能參數(shù)之間關(guān)系為： 根據(jù)上述關(guān)系以及表2所示的運行工況，風(fēng)機變頻后的運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)速計算： 從圖1(abc)性能曲線所示，為了方便計算，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)機轉(zhuǎn)速為：4.2 風(fēng)機全壓效率估算：風(fēng)機有效功率=全壓*流量/1000風(fēng)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(fēng)機的全壓效率為0。785和0。726。因此變頻調(diào)速后的風(fēng)機全壓效率可按0。75進(jìn)行估算。4.3 變頻調(diào)速后功率估算： 風(fēng)機有效功率=全壓*流量/1000風(fēng)機軸功率=風(fēng)機有效功率/全壓效率電功率=風(fēng)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(fēng)機#2引風(fēng)機1風(fēng)機轉(zhuǎn)速r/min5846062介質(zhì)密度Kg/ 1.0241.023風(fēng)機全壓Pa2126.732323.374風(fēng)機進(jìn)口流量/s35.02