變頻調(diào)速技術(shù)在泵類(lèi)應(yīng)用中的節(jié)能分析
2018-02-01 16:30:07
在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品(Product)加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備應(yīng)用范圍(fàn wéi)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(expense)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)(jīng jì)改革的不斷深入，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇;節(jié)能降耗業(yè)已成為降低企業(yè)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)全新的智能馬達(dá)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、冶煉金屬、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)(tǐ 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（control)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)備使用的時(shí)長(zhǎng)縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用(expense)高居不下。泵類(lèi)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(Centrifugal pump)、軸流泵(Axial flow pump)、水泵、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(vandalism);還加速了泵腔、閥體的磨損（零部件失效的一種基本類(lèi)型）和汽蝕，嚴(yán)重時(shí)損壞設(shè)備、影響生產(chǎn)、危及產(chǎn)品質(zhì)量。風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)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(chēng)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(frequency)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，如變頻控制柜，將變頻器安裝至控制柜中，便于工程應(yīng)用和安裝。
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(lèi)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（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）P具有如下關(guān)系：Q&GOOGLE PRop;n，H∝n2，P∝n3;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(xiàn)如下圖所示。在現(xiàn)場(chǎng)控制中，通常采用水泵定速運(yùn)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)(system)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/(ηc·ηb)×10-3得出。其中，
P、
Q、
H、η
C、ηb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(ηc·ηb)為1，則水泵由A點(diǎn)移至B點(diǎn)工作時(shí)，馬達(dá)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(xiàn)r0，系統(tǒng)工作點(diǎn)將沿方向II 由原來(lái)的A點(diǎn)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(mǎn)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(vandalism);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(lèi)似的，如果采用變頻調(diào)速技術(shù)改變泵類(lèi)、風(fēng)機(jī)類(lèi)設(shè)備轉(zhuǎn)速來(lái)控制（control)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(xiàn)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(lèi)設(shè)備(shèbèi)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(lèi)在不同控制（control)方式方法下的流量-負(fù)載關(guān)系曲線(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的負(fù)荷變化情況(Condition)進(jìn)行計(jì)算。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類(lèi)型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來(lái)傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來(lái)傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類(lèi)型。
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。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·h
W2=45×13×(95%-20%)×300=131625kW·h
W=W1+W2=46035+131625=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。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類(lèi)型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來(lái)傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來(lái)傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類(lèi)型。
2、根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)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)鍋爐使用的 22kW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)馬達(dá)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·h
W2=22×13×[1-(20/50)3]×300=80309kW·h
Wb=W1+W2=16067+80309=96376kW·h
擋板開(kāi)度時(shí)的節(jié)電量為：
W1=22×(1-98%)×11×300=1452kW·h
W2=22×(1-70%)×11×300=21780kW·h
?Wd=W1+W2=1452+21780=23232kW·h
相比較節(jié)電量為：W=Wb-Wd=96376-23232=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。上海凱泉如安裝過(guò)高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺(tái)水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時(shí)，其安裝高度應(yīng)降低，否則也不能吸上水來(lái)。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(Condition)下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄如下：
流量L/s時(shí)間(h)消耗電網(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
47233.2×2=66.428.39×2=56.8
40830×8=24021.16×8=169.3
30427×4=10813.88×4=55.5
201023.9×10=2399.67×10=96.7
合計(jì)24653.4378.3
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%。凱泉泵業(yè)開(kāi)動(dòng)前，先將泵和進(jìn)水管灌滿(mǎn)水，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，在 葉輪高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力的作用下，葉輪流道里的水被甩向四周，壓入蝸殼，葉輪入口形成真空，水池的水在外界大氣壓力下沿吸水管被吸入補(bǔ)充了這個(gè)空間。繼而吸入的水又被葉輪甩出經(jīng)蝸殼而進(jìn)入出水管。
五、結(jié)束語(yǔ)
風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等設(shè)備(shèbèi)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)(zhòng diǎn)推廣技術(shù)，受到國(guó)家政府的普遍重視，《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。凱泉泵業(yè)由此可見(jiàn)，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚(yáng)到高處或遠(yuǎn)方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。實(shí)踐證明，變頻器用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)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(mǎn)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。