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风机、水泵变频调速节能分析

【2016-12-26】

 能源是国家重要的物质基础,能源的供需矛盾已成为制约我国社会主义经济建设的主要因素之一。在能源问题上国务院提出“节约与开发并重”的方针,就是依靠技术进步,把节约能源以解决能源问题作为我国重要的技术经济政策。

据不完全统计,全国风机、水泵、压缩机就有1500万台电动机,用电量占全国总发电量的40~50%,这些电动机大多在低的电能利用率下运行,只要将这些电动机电能利用率提高10~15%,全年可节电300亿kW以上。
根据火电设计规程SDJ-79规定,燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%~10%,风压裕度分别为10%和10%~15%。设计过程中很难计算管网的阻力、并考虑到长期运行过程中发生的各种问题,通常总是把系统的最大风量和风压裕度作为选型的依据,但风机的型号和系列是有限的,往往选取不到合适的风机型号时就往上靠,裕度大于20~30%比较常见。因此这些风机运行时,只有靠调节风门或风道挡板的开度来满足生产工艺对风量的要求。风机和水泵的机械特性均为平方转矩特性,水泵运行时,靠阀门的开度调节流量来满足供水要求,工况与风机相似,靠调节风门、风道档板或阀门的开度来调节风机风量,水泵流量的方法、称为节流调节,在节流调节过程中,风机或水泵固有特性不变、仅仅靠关小风门、挡板或阀门的开度,人为地增加管路的阻力,由此增大管路系统的损失,不利于风机,水泵的节能运行。
采用调速控制装置,通过改变风机水泵转速,从而改变风机风量,水泵流量以适应生产工艺的需要,这种调节方式称为风机水泵的调速控制。风机、水泵以调速控制方式运行能耗最省,综合效益最高。交流电机的调速方式有多种、变频调速是高效的最佳调速方案,它可以实现,风机水泵的无级调速,并可方便地组成闭环控制系统、实现恒压或恒流量控制。
一、风机水泵变频调速的节电原理:
如图示为离心风机水泵的风压、(水压)H-风量(流量)Q曲线特性图:
 
 
n1-代表风机水泵 在额定转速运行时的特性;
n2-代表风机水泵降速运行在n2转速时的特性;
R1-代表风机水泵管路阻力最小时的阻力特性;
R2-代表风机水泵管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。
风机水泵在管路特性曲R1工作时,工况点为A,其流量压力分别为Q1、H1,此时风机水泵所需的功率正比于H1与Q1的乘积,即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小风量(流量)到Q2,实际上通过增加管网管阻,使风机水泵的工作点移到R2上的B点,风压(水压)增大到H2,这时风机水泵所需的功率正比H2Q2的面积,即近比广BH2OQ2的面积。显然风机水泵所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大,不利于节能,是以高运行成本换取简单控制方式。
若采用变频调速,风机水泵转速由n1下降到n2,这时工作点由A点移到C点,流量仍是Q2,压力由H1降到H3,这时变频调速后风机(水泵)所需的功率正比于H3与Q2的乘积,即正比于CH3OQ2的面积,由图可见功率的减少是明显的。
二、风机水源节能的计算:
风机水泵流量变化量,如前所述,采用变频调速是节电之有效的措施。根据GB12497对电机经济济运行管理的规定有如下的计算公式。
采用档板调节流量对应电动机输入功率P1V与流量Q的关系为:
P1V≈[0.45+0.55(Q/QN)2]P1e                         (1)
式中:P1e——额定流量时电动机输入功率(kW)。
QN——额定流量
三、应用实例:
某水泥厂机立窑离心风机245KW,电机4极、实际用风量为0.6~0.7,准备改造为变频器驱动,估算节电率和投资回收期。
取Q/QN=0.65,由(2)式
由(1)式P1V=〔0.45+0.55(0.65)2〕245
=0.6428×245=157(KW)
采取风门调节风量时风机所需的轴功率为157kW,变频器调速器调风量时相对调节风门调风量的节电率为0.6。
年节电量,每年按300天计算。
24×306×157×60%=678240KWh≈67.8(万kWh)
年节电费(电价0.40元/kWh)
0.4×678240=27万元
投资回收期:
投资回收期=设备投资总额(元)÷年节电费(元)
          =18÷27=0.67(年)=8(个月)
由此可判定,该水泥厂机立窑离心风机采用变频器驱动后,年节电量67.8万kWh,年节电费27万元,投资回收期8个月,技术经济效益可观。
该水泥厂订购了一台变频调速柜、内装森兰BT40S250kW变频器一台,另有空开、熔断器、电表、指示灯等,价值18万元。投入运行后,变频器频率调到35Hz左右满足机窑立风量要求,这时电动机电流210A左右,变频器输电压、298V,实际输出功率为
P=√3 IVCOφ4=3×210×298×0.9≈97.5kW
与理论计算值157×0.6=94.2kW基本吻合。
通过以上分析可以看出,风机水泵采用变频器调速后,节电效果是明显的,此外,机械的转速降低后,机械的磨损减少,使用寿命延长了,间接经济效益也很可观。