风机、水泵类负荷的变频节能改造

    变频调速技术的基本原理是根据电动机转速与工作电源输入频率成正比的关系    n=60f(1-s)/p    (3-1)式中，n-转速；    f-输入频率；    s-电动机转差率；    p-电动机磁极对数。    通过改变电动机工作电源频率达到改变电动机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交直交电源变换技术，电力电子技术、微电脑控制技术等于一身的综合性电器产品。    (1)节能分析    通过流体力学的基本定律可知：风机、水泵类设备均属平方转矩负荷．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。水泵的流量一转速压力关系曲线如图3-1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；受其节流作用压力由H1变为H2。水泵轴功率实际值(kW)计算    P=QH/（ηcηb）×10-3    (3-2)    式中，P、Q、H、ηc、ηb分别为功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率，直接传动时效率为1。    假设总效率（ηcηb）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电动机节省的功耗为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，系统工作点将沿方向Ⅱ由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。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，电动机节省的功耗为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。
    图3-1    水泵的流量-转速-压力关系曲线    另外，从图3-1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，系统压力为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。    从上面的比较不难看得出，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，如果采用变频器调速技术改变风机、水泵类设备转速来控制现场压力、温度、水位等其他过程控制参量，同样可以依据系统控制特性绘制关系曲线．得出上述的比较结果，即采用变频调速技术改变电动机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。    (2)节能计算    对于风机、水泵类设备采用变频器调速后的节能效果，通常采用两种方式进行计算。    ①根据已知风机、水泵类在不同控制方式下的流量一负荷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。根据运行要求，水泵连续24h运行，其中每台11h运行在90%负荷，13h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=15×13×(95%-20%)×300=131625kW·h    W=W1+W2=46035+131625=177660kW·h    电价按0.5元/(kW·h)计算，则每年可节约电费8.883万元。    ②风机、水泵类平方转矩负荷关系为    P/P0=(n/n0)³式中 P0-额定转速n0时的功率：    P-转速n时的功率。    以一台工业锅炉使用的22kW鼓风机为例，运行工况仍以24h连续运行，其中每天11h运行在90%负荷（频率按46Hz计算，挡板调节时电动机功耗按98%计算），13h运行在so%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时的电动机功耗按70%计算），全年运行时间在300天为计算依据，则变频器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=1607+80309=96376kW·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=23232kW·h    相比较节电量为    W=Wb-Wd=96376-23232=73144kW·h    电价按0.5元/(kW·h)计算，则采用变频调速每年节约电费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. 5L/s，扬程50m，配电动机Y200L2-2型号77kW。对水泵进行阀门节流调节和电动机调速控制情况下的实测数据记录见表3-3。    表3-3    阀门节流调节和电动机变频调速
    相比之下，在一天内变频调速可比阀门节流节省275. 1kW·h的电量，节电率达42. 1%。    实践证明，变频器用于风机、水泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式，既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大幅度减少了设备维护、维修费用，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9~16个月的生产中全部收回。