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上海高基泵業(yè)制造有限公司

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智能變頻調(diào)速技術(shù)在泵類中的應(yīng)用

點(diǎn)擊次數(shù):2023 發(fā)布時間:2014-12-12

  一、引言
  
  隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入,市場競爭的不斷加劇;節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產(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)展起來的變頻調(diào)速技術(shù),正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展的要求,開創(chuàng)了一個全新的智能電機(jī)時代。一改普通電動機(jī)只能以定速方式運(yùn)行的陳舊模式,使得電動機(jī)及其拖動負(fù)載在無須任何改動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)運(yùn)行的目的。八十年代末,該技術(shù)引入我國并得到推廣。現(xiàn)已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業(yè)的電機(jī)傳動設(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)代電力傳動技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。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)。
  
  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)等場合,根據(jù)生產(chǎn)需要對爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況。而zui常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象。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、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過程中,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)備使用壽命縮短,設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下。泵類設(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、軸流泵、齒輪泵、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、水位等信號的控制。這樣,不僅造成大量的能源浪費(fèi),管路、閥門等密封性能的破壞;還加速了泵腔、閥體的磨損和汽蝕,嚴(yán)重時損壞設(shè)備、影響生產(chǎn)、危及產(chǎn)品質(zhì)量。風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備多數(shù)采用異步電動機(jī)直接驅(qū)動的方式運(yùn)行,存在啟動電流大、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)械故障時不能瞬間動作保護(hù)設(shè)備,時常出現(xiàn)泵損壞同時電機(jī)也被燒毀的現(xiàn)象。近年來,出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求,加之采用變頻調(diào)速器(簡稱變頻器)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)動的方案開始逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。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)磁極對數(shù));通過改變電動機(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。
  
  三、節(jié)能分析
  
  通過流體力學(xué)的基本定律可知:風(fēng)機(jī)、泵類設(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P具有如下關(guān)系:Q∝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,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應(yīng)的壓力為H1,出口流量為Q1。流量-轉(zhuǎn)速-壓力關(guān)系曲線如下圖所示。在現(xiàn)場控制中,通常采用水泵定速運(yùn)行出口閥門控制流量。當(dāng)流量從Q1減小50%至Q2時,閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞1,系統(tǒng)工作點(diǎn)沿方向I由原來的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、ηc、ηb分別表示功率、流量、壓力、水泵效率、傳動裝置效率,直接傳動為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,電機(jī)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,那么管網(wǎng)阻力特性為同一曲線r0,系統(tǒng)工作點(diǎn)將沿方向II由原來的A點(diǎn)移至C點(diǎn),水泵的運(yùn)行也更趨合理。在閥門全開,只有管網(wǎng)阻力的情況下,系統(tǒng)滿足現(xiàn)場的流量要求,能耗勢必降低。此時,電機(jī)節(jié)省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調(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:閥門調(diào)節(jié)時將使系統(tǒng)壓力H升高,這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞;而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時,系統(tǒng)壓力H將隨泵轉(zhuǎn)速n的降低而降低,因此不會對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。從上面的比較不難得出:當(dāng)現(xiàn)場對水泵流量的需求從100%降至50%時,采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)將比原來的閥門調(diào)節(jié)節(jié)省BCH3H2所對應(yīng)的功率大小,節(jié)能率在75%以上。
  
  與此相類似的,如果采用變頻調(diào)速技術(shù)改變泵類、風(fēng)機(jī)類設(shè)備轉(zhuǎn)速來控制現(xiàn)場壓力、溫度、水位等其它過程控制參量,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、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)能計算
  
  對于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果,通常采用以下兩種方式進(jìn)行計算:
  
  1、根據(jù)已知風(fēng)機(jī)、泵類在不同控制方式下的流量-負(fù)載關(guān)系曲線和現(xiàn)場運(yùn)行的負(fù)荷變化情況進(jìn)行計算。
  
  以一臺IS150-125-400型離心泵為例,額定流200.16m3/h,揚(yáng)程50m;配備Y225M-4型電動機(jī),額定功率45kW。泵在閥門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時的流量-負(fù)載根據(jù)運(yùn)行要求,水泵連續(xù)24小時運(yùn)行,其中每天11小時運(yùn)行在90%負(fù)荷,
  
  13小時運(yùn)行在50%負(fù)荷;全年運(yùn)行時間在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
  
  每度電按0.5元計算,則每年可節(jié)約電費(fèi)8.883萬元。
  
  2、根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式:P/P0=(n/n0)3計算,式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時的功率;P為轉(zhuǎn)速n時的功率。以一臺工業(yè)鍋爐使用的22kW鼓風(fēng)機(jī)為例。
  
  運(yùn)行工況仍以24小時連續(xù)運(yùn)行,其中每天11小時運(yùn)行在90%負(fù)荷(頻率按46Hz計算,擋板調(diào)節(jié)時電機(jī)功耗按98%計算),13小時運(yùn)行在50%負(fù)荷(頻率按20Hz計算,擋板調(diào)節(jié)時電機(jī)功耗按70%計算);全年運(yùn)行時間在300天為計算依據(jù)。則變頻調(diào)速時每年的節(jié)電量為:
  
  W1=22×11×[1-(46/50)3]×300=16067kW·h
  
  W2=22×13×[1-(20/50)3]×300=80309kW·h
  
  擋板開度時的節(jié)電量為:
  
  W1=22×(1-98%)×11×300=1452kW·h
  
  W2=22×(1-70%)×11×300=21780kW·h
  
  每度電按0.5元計算,則采用變頻調(diào)速每年可節(jié)約電費(fèi)3.657萬元。
  
  某工廠離心式水泵參數(shù)為:離心泵型號6SA-8,額定流量53.5L/s,揚(yáng)程50m;所配電機(jī)Y200L2-2型37kW。對水泵進(jìn)行閥門節(jié)流控制和電機(jī)調(diào)速控制情況下的實(shí)測數(shù)據(jù)記錄如下:
  
  流量L/s時間(h)消耗電網(wǎng)輸出的電能(kW·h)閥門節(jié)流調(diào)節(jié)電機(jī)變頻調(diào)速
  
  相比之下,在一天內(nèi)變頻調(diào)速可比閥門節(jié)流控制節(jié)省275.1kW·h的電量,節(jié)電率達(dá)42.1%。
  
  五、結(jié)束語
  
  風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行是我國節(jié)能的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù),受到國家政府的普遍重視,《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條就把它列為通用技術(shù)加以推廣。液壓機(jī)械公司實(shí)踐證明,變頻器用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(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)備一次性投資通常可以在9個月到16個月的生產(chǎn)中全部收回。

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