工厂车间通风降温变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析变频

一、引言

在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛；其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%~25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。

而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到工程高效运行的目的。

八十年代末，该技术引入我国并得到推广。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高工程的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

二、综述

通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧工程、烘干工程、冷却工程、通风工程等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。

泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排工程、工业水（油）循环工程、热交换工程均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。

风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。

近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点；因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

三、节能分析

通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。

以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为n0,阀门全开时的管阻特性为r0,额定工况下与之对应的压力为H1,出口流量为Q1。

在现场控制中，通常采用水泵定速运行出口阀门控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，工程工作点沿方向I由原来的A点移至B点；受其节流作用压力H1变为H2。水泵轴功率实际值（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 分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率，直接传动为1。假设总效率（η c·η b）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n，当流量从Q1减小50%至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线r0，工程工作点将沿方向II由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，工程满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。

另外，从图中还可以看出：阀门调节时将使工程压力H升高，这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏；而转速调节时，工程压力H将随泵转速n的降低而降低，因此不会对工程产生不良影响。

从上面的比较不难得出：当现场对水泵流量的需求从100%降至50%时，采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH3H2所对应的功率大小，节能率在75%以上。

与此相类似的，如果采用变频调速技术改变泵类、风机类设备转速来控制现场压力、温度、水位等其它过程控制参量，同样可以依据工程控制特性绘制出关系曲线得出上述的比较结果。亦即，采用变频调速技术改变电机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。

四、节能计算

对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：

1、根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量－负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。以一台IS150-125-400型离心泵为例，额定流量200.16m3/h，扬程50m；配备Y225M-4型电动机，额定功率45kW。泵在阀门调节和转速调节时的流量－负载曲线如下图示。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在90%负荷，13小时运行在50%负荷；全年运行时间在300天。

则每年的节电量为：

W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW·h
W2=45×13×（95%－20%）×300 =131625kW·h
W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h

每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。

2、根据风机、泵类平方转矩负载关系式：

P / P0=（n / n0）3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。

以一台工业锅炉使用的22 kW鼓风机为例。运行工况仍以 24小时连续运行，其中每天11小时运行在90%负荷（频率按46Hz计算,挡板调节时电机功耗按98%计算），13小时运行在50%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。

则变频调速时每年的节电量为：

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

挡板开度时的节电量为：

W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h
W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW·h
Wd = W1＋W2=1452＋21780=23232 kW·h

相比较节电量为：W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW·h

每度电按0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。

某工厂离心式水泵参数为：离心泵型号6SA-8，额定流量53. 5 L/s，扬程50m；所配电机Y200L2-2型37 kW。对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下：

1、前言
目前我国是世界上最大的发展中国家，自然资源的依赖程度约占60%以上，能源问题是一个严峻的挑战，尤其是近几年煤荒、电荒已严重制约着国民经济的发展，用电高峰时期许多生产企业和部门不得不拉闸限电。从根本上解决能源问题有两条途径：一是开源，二是节能。变频节能技术就是针对工频负载并非是所有用电设备的最佳工作频率及负荷，因而导致许多设备长期处于低效率，应用面广、见效快、投资回收期短的高效节能新技术，目前在冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、电力、建材、造纸、印刷、供水、空调等各行各业已得到广泛的应用。
本文结合河南利华制药有限责任公司近几年来在设备变频改造中的应用情况，对制药待业常见负载变频改造及应用选择作一总结。该企业是一家外资企业，管理规范，效益良好，是本地区制药行业的佼佼者，公司领导及技术人员有着极强的成本竞争意识，非常重视节能降耗的技术改造自1999年起先后对泵类、空压机、搅拌器、风机、离心机、冰机等六大类负载三百多台电机负载进行了变频节能及调速改造。

2、各类负载改造情况

2.1泵类负载
泵类负载量大而广，主要有冰水泵、循环水泵、冷冻水泵、深井潜水泵、排污水泵、真空泵等，泵类负载一般属于平方转矩类负载，故从变频器的选型上一般选用风机泵类型同功率变频器，而深井潜水泵、真空泵相对负载较大，根据经验一般选用放大一档功率的风机泵类型变频器或选用同功能恒转矩类变频器。变频器控制方式一般采用闭环或开环，如对潜水泵，采用出口恒压供水方式，对循环水泵，冷冻水泵采用恒温差闭环控制。根据该企业的节电统计结果，泵类设备的节电率一般在22~51%，是节电效果较好的负载。

2.2空压机负载
该企业共有空压机8台，其中132KW2台，110KW2台，22KW2台，37KW2台，均为活塞式空压机。2台132KW空压机原采用调节进气口阀门调节出口压力，电机为绕线 环电机，主要为发酵罐供气，生产工艺要求供气平稳，压力波动最大应小于0.04MPa，而生产用气量时常变化，供气压力波动频繁，为此供气压力由操作人员不断调节进气阀门来满足工艺要求。同时原电机起动方式为 电阻降压起动，起动时对电网冲击大，对空压机本身也有较大损害，机房噪音也较大。
2002年对该2台空压机进行了变频恒压供气改造，考虑到空压机负载的连续性及机房环境温度，采用了2台160KW变频器，一对一实施变频改造。保留原工频降压回路，变频器与原工频降压控制柜互锁，确保紧急情况下仍可采用原降压控制工程。在变频控制时，应将绕线电机 环短路，压力反馈信号由普通YZT-1.0MPa耐震远传压力检测。

压力信号输入PCS-PID调节器，调节器输出两路0~10V信号给二台变频器，从而调节空压机恒压供气。根据车间用气情况调节空压机运行台数。
变频改造后管网压力始终保持在0.19MPa，实际压力波小于004MPa，而且 根据生产需要任意无扰动调速管网压力。同时空压机运行噪音大大降低，更换传送皮带次数减少。变频改造后空压机工作电流一般在105~130A之间，工作电流下降了20~80A，平均节电率为53%，其它空压机变频改造节电率在30~40%。值得注意的是，空压机变频改造节电情况根据多个企业负载情况而不同，也与空压机变频控制模式有很大关系，根据经验，一般多台空压机并联工作情况变频改造节电量在10~25%之间。

2.3搅拌器（发酵罐、搅拌罐）类负载
搅拌器类负载也是制药车间最常见、比较多的负载，功率规格较多，目前该企业5.5KW以上搅拌电机近100台全部进行了变频改造，最大功能为90KW。大部分搅拌器类负载稳定，其转矩特性介于平方转矩与恒能矩之间，节能潜力较大，从变频器选型上选择同等功率的恒能矩变频器。另外有3台11KW抽 罐在第二道工序压滤后，罐内物料出现 结性团块物料，采用普通性能变频器易出现起动困难，要适当放大变频器功率。根据该企业的节电设计结果，搅拌器类负载变频改造节电气平均在23~52%。

2.4离心机类负载
离心机类负载为大惯性负载，功率级别分5.5KW、7.5KW、11KW三种，共计40余台，全部进行了变频改造，由于离心机惯性大，起动转矩较大，起动时间较长，变频器均按恒转矩类变频器放大一档选择。由于变频器没有外加制动电阻，离心机停机时间较长，而且变频停车方式应设置为自由停车（滑行停车、惯性停车）模式.若采用减速停车模式，容易出现过压报警。离心机类负载变频改造节电效果巨大，平均节电率在40%以上。个别设备出现共振现象，通过调整跳跃频率避开。

2.5风机类负载及其它负载
该企业的风类负载不多，主要是锅炉鼓、引风机，但节电率比较高。传统锅炉锅引风机采用调节档风板开度来调节风量，浪费大量电能，采用变频调速，即可节电，可减少机械磨损，延长设备寿命。该企业锅炉风机变频改造节电率为35~50%。

3、总结
另外在冰机类负载上也进行了改造试验，改造的冰机为75KW 罐氨压缩机，采用温度闭环控制，由于氨压缩机并联台数较多，变频改造后节电效果不佳，节电率只有7%。很多企业对节能工作不太重视，认为不值得做，一味注重投资新设备、新项目，扩大再生产。而利华公司通过这几年的节电改造工作，确确实实认识到这是一项利国利民的好事，通过变频改造，可获得综合的经济效益，节省有功功率，节省峰值电能。以2003年为例，全年投入变频改造费用近100万元，当年节约电费70万元。此外，采用变频后，负载及电网功率因 ，节省无 电能，2003年该企业有2台1000KVA变压器，而且常常满负荷，2003年第二、第三批变频改造后，电网负荷大大降，并报停了一台变压器。另外，采用变频后，电机故障率降低，明显延长了机械设备的寿命，目前新上的设备也全部配套了东芝VF-A7系列变频器。

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