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变频调速技术在高压风机中的节能分析
刘艳霞，李 野
大庆石化工程有限公司
黑龙江省大庆市 163714
摘要：在工业生产和产品加工制造业中,风机类设备应用范围广泛；其电能消耗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重要手段之一。
关键字：变频调速
节能 风机
一、引言
在工业生产和产品加工制造业中,风机类设备应用范围广泛；其电能消耗和诸如阀门等相关设备的节流损失以及维护、维护费用占到成本的10%-28%，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,特别是在大功率、高电压等级的风机上提高电能使用率,节约电能更是现代企业节能降耗的重要途径之一。
而八十年代初步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,从而降低电动机功耗达到系统高效运行的目的。变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等无法比拟的。
近三十多年来变频调速已在电力、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。现在，它已经是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案,代表今后电气传动的发展方向。卓越的调速性能、显著的节能效果、改善现有设备的运行工况,提高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
通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合,根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指示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,不论生产的需要大小,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,维修费用高居不下。
风机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=60f(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。变频调速器就是基于上述原理将三相工频（50Hz）交流电源（或任意电源）变换成三相电压可调、频率可调的交流电源,有时又将变频调速器称为变压变频装置VVVF，它是将电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合电气产品。主要用于交流电动机（异步机或同步机）转速的调节。
三、节能分析
通过流体力学的基本定律可知：风机类设备均属平方转矩负载,其转速n与流量Q，压力H加以轴功率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。当转速降低后,其消耗功率会大幅下降,例如50%转速时,轴机械功率仅为12.5%。当然不同,调速方案的效率相差很大,滑差后液力调速装置效率不高，η≈（1-S）,在50%转速时,ηvs≈50%,而变频调速器效率,效率因数高,ηvvvF≈95%~98%,而且近似不变。所以在诸多调速方案中变频调速节能效益最佳,理应为首选方案。当今更应该在大容量高压电动机驱动的风机上推广应用高压变频调速节能。理由很简单,在节电率百分比相同的情况下装机容量愈大,其绝对节电量也愈大。变频调速的优越性已在通用变频器中得到充分体现,近两年来,国产高压变频器业已成熟,取得了国内众多行业的认可,并逐步在生产中推广应用。
从上面的比较不难看出：当现场对风量的需求从100%降制50%时,采用转速调节将比原来的阀门调节节省,节能率在75%左右。与此相类似的,如果采用变频调速技术改变风机类设备转速来控制现场压力、温度等其它过程控制参量,同样可以依据系统控制特性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
以一台高压离心引风机为例，进行节能计算，比较
电机
离心引风机
型
号：
Y6304-8 型 号：
Y4-73No31 1/2 F
额定功率：
1600 Kw 额定压力：
570 - 375 mmH20
额定电流：
192.3 A 额定流量：
470000 - 874000 m 3/h
额定电压：
6kV 轴 功 率：
954 - 1185 Kw
额定转速：
744 rpm 额定转速：
730 rpm
电机额定电流
192.3A,为了满足 50Hz
时满负荷运行要求，选用适合驱动高压异步电动机的高压变频器,额定输出电流
220A,其主要性能指标如下：
•
额定容量：
2250kVA
•
适配电机功率：
1800kW
•
额定电流：
220A
•
额定输入电压：
6kV （ -20%
∽ +15 % ）
•
输入功率因数： 大于
0.96 （额定负载时）
•
效率： 大于
96% （额定负载时）
•
防护等级：
IP30
考虑到变频器退出运行后,为了不影响生产,确保除尘系统正常工作,系统需配置工频旁路,当变频器出现故障时,将电机投切到工频下运行。
旁路柜中，共有
3 个高压隔离开关,为了确保不向变频器输出端反送电,K2
与 K3 采用一个双投隔离开关,实现自然机械互锁。当
K1、K2 闭合,K3
断开时，电机运行在变频状态；当 K1 、
K2 断开,K3 闭合时,电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来,便于检修、维护和调试。旁路柜必须与上级高压断路器
DL 连锁,旁路柜隔离开关未合到位时,不允许K0
合闸,K0 合闸时，绝对不允许操作隔离开关,以防止出现拉弧现象,确保操作人员和设备的安全。
风机在工频运行时电流基本保持在 165-170A,消耗功率约为
1530Kw,使用变频器控制。
表
1实测运行参数
|
运行频率
(Hz) |
输入电流
(A) |
输出电流
(A) |
输入电压
(V) |
输入功率
(kW) |
运行时间
(Min) |
|
20 |
13.2 |
72.8 |
6338 |
128 |
15 |
|
25 |
23.5 |
78.5 |
6334 |
247 |
15 |
|
30 |
35.2 |
86.6 |
6500 |
388 |
10 |
|
35 |
57.3 |
101.3 |
6241 |
605 |
5
|
|
45 |
122.6 |
150.6 |
6157 |
1263 |
10 |
|
50 |
148.4 |
166.6 |
6360 |
1585 |
5
|
变频运行时，一个周期内的平均运行功率为 650kW,与工频运行相比，平均节约功率
880 kW,一天节电量：
880 * 24 = 21120
度/天
按电价
0.5 元/度计算，
一天节约电费:
21120 * 0.5 =10560 元/天
五、结束语
实践证明，变频器用于风机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,并且因此而大大减少了设备维护、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10个月到18个月的生产中全部收回。从电气的长期经济运行角度来看是十分有利的。采用变频器控制会有一些交直流之间的转换,在电网中易产生谐波,影响电网的平稳运行,但这也不是不能解决的,我们可以在电网中加入滤波设备,以消除谐波的影响,这样一来既达到了电机经济运行的目的,保证电网的平稳运行,同时又满足了生产的要求。因此,采用变频器控制风机等设备采用变频调速技术实现节能运行是节能的一项值得重点推广的技术,能够满足在电能节约和满足生产需求,同时也是当今社会企业节约电力资源,节能降耗的较好方法。
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