进口水帘_变频调速技术在风机、泵类节能分析中的应用电力百科ABB
变频调速技术在风机、泵类节能分析中的应用 |
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一、引言 在产业生产和产品加工制造业中,风机'>风机、泵类'>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、维修用度占到生产本钱的7%~25%,是一笔不小的生产用度开支。随着经济改革的不断深进,市场竞争的不断加剧;节能降耗业已成为降低生产本钱、进步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'>变频调速技术,正是顺应了产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系统高效运行的目的。 八十年代末,该技术引进我国并得到推广。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'>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、明显的节电效果,改善现有设备的运行工况,进步系统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 通常在产业生产、产品加工制造业中风机'>风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、透风系统等场合,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。从而导致生产本钱增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修用度高居不下。 泵类'>泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间,提水泵站、水池储罐给排系统、产业水(油)循环系统、热交换系统均使用离心泵、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进步的要求,加之采用变频调速器(简称变频器)易操纵、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进频率成正比的关系: n =60 f(1-s)/p,(式中n、f、s、p分别表示转速、输进频率、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,负压风机降温方案。 以一台水泵为例,它的出口压头为H0(出口压头即泵进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。流量-转速-压力关系曲线如下图所示。 ?? 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,系统工作点沿方向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。假如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,系统工作点将沿方向II由原来的A点移至C点,水泵的运行也更趋公道。在阀门全开,只有管网阻力的情况下,系统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公道,具有明显的节能效果。 另外,从图中还可以看出:阀门调节时将使系统压力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,系统压力H将随泵转速n的降低而降低,因此不会对系统产生不良影响。 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,假如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,同样可以依据系统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,其中天天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。 以一台产业锅炉使用的22 kW鼓风机为例。运行工况仍以 24小时连续运行,其中天天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  ,整体厂房降温通风; 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  ,生产厂房通风降温设备;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: ?? 流 量L/s 时 间(h) 消耗电网输出的电能(kW?h) 阀门节流调节 电机变频调速 47 2 33.2×2=66.4 28.39×2=56.8 40 8 30×8=240 21.16×8=169.3 30 4 27×4=108 13.88×4=55.5 20 10 23.9×10=239 9.67×10=96.7 合计 24 653.4 378.3 相比之下,在一天内变频调速可比阀门节流控制节省275.1 kW?h的电量,节电率达42.1%。 ?? 五、结束语 风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术,受到国家政府的普遍重视,《中华人民共和国节约能源法》第39条就把它列为通用技术加以推广。实践证实,变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了明显的节电效果,是一种理想的调速控制方式。既进步了设备效率,又满足了生产工艺要求,并且因此而大大减少了设备维护、维修用度,还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显,设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。 |
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收录时间:2011年02月17日 20:50:10 来源:未知 作者: |
ABB控制自动化产品在MW级风机电控系统中应用 |
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随着我国能源发展战略的实施,国内风电设备市场逐年扩大。在国家发改委制定的《风力发电中长期发展规划》中明确指出,到2010年底,全国风电总装机规模达到400万kW;到2016年底,全国风电总装机规模达到1000万kW;到2020年底,全国风电总装机规模达到2000万kW。 国家电力监管委员会2007年7月17日公布《电网企业全额收购可再生能源电量监管办法》,赋予国家电监会监管电网企业全额收购其电网覆盖范围内可再生能源并网发电项目的权力。于2007年9月1日起施行。 国家政策的支持、巨大的市场空间促使国内风电产业异常活跃。已有40多家企业明确表示将涉足风力发电设备制造。 1. 概述 ABB作为全球工控产品重要的供给商之一,可以为各行业提供种类齐全的控制自动化产品。与全球主要风机制造商多年的合作经验,使ABB可以提供风机功率回路和控制回路的全套产品,形成了ABB独占的、经过优化的专为风电行业设计的控制自动化产品。下面就ABB控制自动化产品在风力发电机组控制系统中的应用进行先容。 2. 用ABB AC31 90系列可编程控制器(PLC)构成高性能的控制器网络 控制器是整个电控系统的核心,其主要任务是控制风机根据风能的变化调整输出,以及风机在运行过程中的各种数据检测、系统保护、通讯等功能。MW级风力发电机组控制系统的特点是: 点数未几: 整个控制系统的输进输出点数并未几,一般未几于300点。 数据计算量大: MW级风机电控系统的双馈调速系统及电动变桨系统数学模型结构复杂、计算精度高;远程监控系统、故障检测及自复位功能的应用使控制器的数据计算量很大。由于同一时间不同优先级事件的存在,控制器必须按照事件的重要程度执行不同的扫描周期。 这些特点要求控制用具备高速度、支持多优先级多任务程序结构、支持高级算法等功能。此外,为保证系统各控制器与变频设备之间通讯的可靠性及实时性,控制器还必须支持现场总线及远程监控使用的产业以太网通讯。ABB公司的紧凑型控制系统AC3190系列PLC可用于复杂控制功能的应用,运算速度可达0.07 ms/kB指令,支持IEC61131-3标准的编程, 编程界面简洁友好,并且实现分布式扩展简单快捷,有多达5个集成的通讯接口(Modbus、TCP/IP、Profibus、DeviceNet、CanOpen)用于开放的通讯方式,I/O扩展数目多达1040点开关量/232点模拟量。 图1 AC1131编程界面 图2是用ABB AC3190系列的KT98和KT97可编程控制器(PLC)构成的MW级风机电控系统控制器拓扑结构图。图2 ABB AC310系列PLC组成的风机电控系统控制器网络 使用2台KT98分别作为机舱控制器和变桨控制器,1台KT97作为主控制器。这3个控制器的主要功能为: 机舱控制器:负责处理各传感器(含风速风向仪)、输进输出点的信号采集、双馈变频器给定计算、以及同双馈变频器、变桨控制器、主控制器之间的数据通讯。 变桨控制器:处理变桨系统信号采集、负责进行变桨系统计算,天生变桨变频器给定,负责与变桨变频器及机舱控制器、主控制器之间的数据通讯。 主控制器:负责同机舱控制器、变桨控制器之间进行以太网通讯;远程监控系统通讯、以及塔筒底部的信号采集。 3个控制器之间采用以太网通讯,保证了通讯速率。控制器与变频器之间采用CAN总线通讯,速率可达1Mbyte/s。保证速率的条件下,通讯可靠性也得到了进步。这样构成的控制结构具有分工明确、实时性强、稳定可靠的特点。 3. 用ABB AF系列接触器解决并网稳定性题目 风力发电机所发出的电能通过接触器并进电网。由于风能的大小、方向变化的多样性及不确定性,造成风机负载波动频繁,加之风电场多建在电网相对较弱的边远地区,在这种情况下,极易出现风机误并网、误解列给电控系统及机械结构带来严重的损害。因此,必须选用可靠的并网接触器将所发电能并进电网。 一般接触器通过线圈控制开合,这样当系统线路出现误动作时,接触器也将出现误动作,风机被误并网。ABB的AF接触器(AF400 ? AF2050)可以使用输进信号(如:来自PLC)控制接触器开闭,而线圈动作所需的能量由另外的电路供给(230VAC或24VDC)。要使接触器闭合必须同时满足:线圈通电和输进信号。 普通接触器(如图3),在A1和A2之间加以要求的电压之后,触点即闭合,抗误并网能力差。图3 普通接触器接线图 ABB AF系列(AF400 ? AF2050)接触器,只有在当A1与A2之间加以要求的电压,同时,PLC信号接通的情况下才能闭合。这样并网条件增加到2个,可进步抗误并网能力。 图4 AF系列(AF400 - AF1650)接触器接线图 另外,ABB AF系列(AF400 ? AF2050)接触器还具备适应风电场电网条件的独占性能:可在线圈线路故障后20ms内维持闭合,线圈操纵电压可以低至额定电压的25%。这些性能,对于风电场所处的弱电网是至关重要的。 4. 用ABB机械锁WB75A解决变桨系统备用电源稳定性题目 在电网忽然掉电的情况下,变桨系统使用备用电源(电池组或超级电容组)将叶片旋转到顺桨位置,以保证风机在电网停电状态下,吸收最小风能,保证设备安全。同时备用电源还必须支撑整个控制系统的传感器和控制器直流回路运转一定时间,以记录必要的数据。带备用电源的变桨系统的简单示意图如图5: 正常工作时,由交流电源给变桨系统供电,即K1闭合,此时备用电源接触器K2也处于闭合状态。电网掉电(电网故障)发生后,接触器K1断开,备用电源自动切进,维持变桨系统工作。此时,假如系统由于干扰或其他原因造成接触器K2意外打开,整个风机将完全“停电”,即使备用电源电量充足,也无法自动切进,风机与远程监控系统失往联系,叶片停留在工作位置,风机空载。假如此时出现大风,风机极有可能由于空载超速而损坏。 为保证风机备用电源系统安全稳定工作,可以给接触器K2加装机械锁。接触器K2闭合后,机械锁将其锁定。接触器不会由于线圈掉电而断开,而当需要将接触器K2断开时,可经过变桨控制器给出脉冲信号至图中E1,将接触器断开。这样就保证了变桨系统安全稳定的工作。 机械锁WB75A(如图6)是Across the line系列接触器的可选附件,可以安装在接触器的上表面,防止接触器意外断开。 图6 机械锁 5. 用种类齐全的ABB控制自动化产品构成控制系统的辅助回路 ABB低压产品种类齐全,可根据需要,选用合适的产品。ABB S260系列微型断路器可作为各支路的线路保护, ABB GS260系列剩余电活动作断路器可作为插座线路保护。因风电安装场合天气条件恶劣,变桨控制柜内需要安装加热元件防止温度变化时可能产生凝露。由于变桨控制柜空间密闭,不适合安装由风扇进行散热类型的加热器;而板式加热器面积大,可通过自身面积散热达到理想效果,控制柜内温差小。ABB的板式加热器,就适适用于密闭的变桨控制柜内。 其他诸如传感器、按钮开关、插座、急停按钮等,都可在ABB控制自动化产品中找到合适的产品,这里不做具体论述。 6. ABB低压产品在国内风电场的应用情况 目前,ABB公司开发的AF系列接触器、机械锁及可编程控制器、空气断路器等低压产品已在国内广泛应用于内蒙古、山东、吉林、江苏、黑龙江等地风电场,经过实际应用检验,应用效果很好,其产品稳定的质量、突出的性能表现更是得到了用户的赞誉。 参考文献 [1] E A Bossanyi,GH Bladed Theory Manual May 2006. |
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收录时间:2011年01月17日 15:00:48 来源:中国自动化网 作者: |
使炼铁生产过程中产生的噪声级保持在一设定范围的过程,是冶金工业噪声控制的重要组成部分。 炼铁生产过程中使用多种 设备 (见表),在运行中产生强烈的噪声。主要有风机噪声、放散噪声(排气放空噪声)、电动机噪声、管道阀门噪声、泵噪声等。 风机噪声? 炼铁厂中的风机主要有各种鼓风机、通风机和压缩机。 噪声源及特点? 风机噪声包括气流噪声和机械噪声。通常以气流噪声为主,并以风机进风口处声级最高,可达110dB(A)以上。机械噪声除由风机本身机械振动引起外,还包括风机的驱动机(通常为电机,也有汽轮机)和传动机械(齿轮箱)的噪声。值得注意的是,当设备制造不良或润滑不良,机械磨损过度时,机械噪声也相当高,能达到105dB(A)以上。 治理措施? 一般可采取在风机进、出口加装阻性消声器的方法来治理气流噪声,效果业著。对于风机的机械噪声可依据车间通风机的具体情况采取安装隔声罩或隔声间的方法加以控制。 放散噪声(排气放空噪声)? 在炼铁生产中,由于生产工艺的需要,经常有气体经多种设备(高炉、鼓风机、锅炉、空压机等)的放散阀向外排放,产生强烈的喷注噪声。 噪声特点? 放散噪声强度高,频谱宽。距放散口lm处测量,噪声级常可达120dB(A)或130dB(A)以上,并且排放口位置都比较高,因而覆盖面广,传播距离远,不仅严重污染厂区,还对周围环境造成很大的危害。 基本控制措施? 采用在排气管口安装恰当的消声器降低放散噪声。根据喷注噪声的特点和规律,可依据下述原理设计不同的消声器。(1)降低气体排放的流速,可以显著地降低喷注噪声(见工业噪声)。(2)降低或分散气体排放的压降,可以有效地降低喷注噪声。(见工业噪声)(3)缩小气体喷口直径,使噪声频谱向超声频方向移动,可使A声级显著下降(见常规噪声治理技术)。(4)改变喷注的流场。喷注噪声主要在喷口附近的混合区内产生,如果改变喷注的流场,使沿喷注轴向流速在垂直方向的梯度减小,可使湍流发声的声源强度减弱,从而使喷注噪声降低。适当改变喷口形状,用十字形或梅花形喷口代替圆形喷口,可使声功率级降低达lodB以上的数量级。 常用的消声器类型有:(1)小孔喷注消声器。(2)节流降压消声器。(3)多孔扩散消声器。(4)将上述其中几种互相组合或与阻性、抗性消声器组合使用的复合型消声器。当选型合适、设计合理时,均能获得满意的效果。 电动机噪声 ? 电动机是炼铁厂各种运转设备(风机、水泵、空压机、破碎机等等)广泛使用的动力设备,可以产生强噪声。A声级一般在90~100dB(A)之间。炼铁厂中大、中型的电动机噪声多在95~100dB(A)之间。 噪声源及特点? 电动机噪声由空气动力性噪声、电磁噪声和机械性噪声三部分组成。一般以空气动力性噪声为最强,属稳态噪声,一般呈中高频特性。电动机噪声A声功率级可用下式估算: 式中L wA 为电机A声功率级,dB;N为电机功率,kW;n为电机转数,r/min;n为常数项,dB。小型电机:a=19±2,大中型电机:a=14±2。 基本控制措施? 由于电机在炼铁厂中广泛用来驱动风机等运转设备,电机和工作机的噪声往往同时超标,这时,可采用对整个机组加装隔声罩的办法进行治理。隔声罩上带有通风散热系统和消声器。由于电机本身允许温升要求严格,所以隔声罩除需满足隔声降噪要求及安装维修方便外,需特别注意不能影响电动机的冷却散热,须使机组在加装隔声罩后,电机的温升在允许的范围内。 管道阀门噪声 ? 炼铁厂内架空管道很多。主要有送风管道、煤气管道、蒸汽管道和液体管道等,为了调节流体的压力和流量,满足炼铁生产的要求,管路系统中装有各种阀门,它往往辐射出强烈的噪声。 噪声形成及特点? 管道噪声是典型的线声源。管道与产生噪声的设备(如风机、压缩机、泵等)相连,这些设备的噪声会沿管道传播扩散。且这种固体声传播,基本不随距离的增加而衰减,因此危害甚大。此外,管道中的流动大多数是湍流,可产生湍流噪声,加之流体冲刷管壁,激起管壁振动发声,特别是当管道中流体的流速较高时,在拐弯、截面突变处,会产生很强的噪声。关于阀门噪声情况可见工业噪声。应引起注意的是,有些阀门由于维护保养不当发生漏气时,会产生高频尖叫声。 基本控制措施? 通常采用下列方法:(1)合理地设计和布置管线。在设计管线时,尽量选用较大的管径来降低流速,尽量减少弯头、管道交叉和管径的突变。管线的支承架设要牢固,对于与振源相连接的管线在靠近振源处应设置波纹膨胀节或其它软接头,以阻隔固体声沿管线传播。在管线穿过建筑物的墙体或与金属桁架接触时,若相互间有振动传递,需将刚性联接改成弹性联接。(2)在管道外壁敷设阻尼隔声层。在很多情况下,可以将此项措施与管道的保温措施结合起来,使其变成具有防止噪声辐射的隔声保温层。工程上可按如下方法实施:在金属管壁外表面敷涂一层防振阻尼浆或沥青、橡胶等内损耗大的阻尼材料,以抑制管壁振动发声;然后在阻尼层外紧裹一层多孑L材料,如玻璃棉,岩棉,矿渣棉,珍珠岩等做吸声层;最后,在外面用钢丝网包扎,并涂抹水泥沙浆作隔声层(见图),如果为了美观,最外面再加上一层用薄金属板做成的管套,将整个管线包扎起来。 泵噪声 ? 炼铁厂常用有水泵和液压泵,它们的噪声级约在82~105dB(A)范围。泵类噪声中泵体本身辐射噪声并不大,泵类设备的主要噪声源来自驱动它的电动机。对整个水泵机组的噪声控制,一般应该首先对所配电动机采取控制措施。对泵体噪声一般可采取隔声罩来消除(见泵站噪声控制)。 发展趋势? 随着炼铁技术的发展,高炉容积越来越大,炉顶压力越来越高,附属设备的功率也越来越大,因此,炼铁过程排放的噪声也日趋提高。 国际上对炼铁噪声的治理都进行过很多研究,针对不同声源采取了消声、隔声、隔振与阻尼等多种措施,收到一定的效果。在中国,因生产力发展水平的限制,炼铁噪声控制发展缓慢,自20世纪80年代中国将环境保护确立为基本国策以来,炼铁噪声污染的控制得到重视并逐步开展,在中国第七个五年计划期间新建的大中型高炉上的主要噪声源处均安装有噪声控制设备,主要是各种类型的消声器。包括有风机进风口和出风口消声器,炉顶均压放散消声器,冷风放风消声器及高炉煤气调压阀组消声器等,都收到良好的效果。
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产品概述:
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