水泥廠推廣應用“風機水泵經濟運行”節能效果的分析和研究

閆光啟 潘世全 楊勇偉 王 立 顏 妍 王琳琳 慎建軍 高國防

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

節約能源是我國的基本國策，是我國經濟和社會發展的一項長遠戰略方針,并于2004年制定了“節能中長期專項規劃”，為此啟動了十大重點節能工程。作為耗能大戶的水泥行業是國家宏觀調控的重點，也是節能的重點行業，采取的主要節能技術有：燃煤工業（窯爐）改造、余熱余壓利用、電機系統節能、能量系統優化等項，通過實施專項規劃，水泥單位產量綜合能耗達到或接近國際先進水平。如按我國水泥年產12億t計算，達到節能指標，則每年可節約百萬t煤，節電百億kWh，并且可使廢氣排放量降低，有利于保護環境，同時也降低了企業成本。電能是各種能源中最為經濟實用、清潔方便，且容易傳輸、控制和轉換的能源，電氣節能技術推廣將有助于減少一次能源的消耗和環境污染。水泥廠電氣節能就是要從電網開始，在供、配、用電的各環節上挖掘節電的潛力。其中線路和變壓器的節能，盡量降低供電系統的損耗；電機系統的節能，采用高效的傳動系統，提高電動機系統的效率；推廣交流變頻調速系統節能技術；大力推廣“綠色照明工程”，使用高效節能電光源；低溫廢氣的余熱綜合利用，實現純低溫余熱發電和供熱工程；在運行過程中，還要對整個電網實施管理技術上的節能。

一條5 000 t/d新型干法水泥生產線，主要用電包括石灰石礦山，原料粉磨，熟料燒成，一直到水泥散裝/包裝發運等主要生產流程及空壓機、水泵站、水處理、機電維修等輔助流程,有電動機約1 100臺組。總裝機功率約5.2萬kW左右。其中，風機、水泵類設備的裝機負荷約占45%，如果采取變頻調速裝置后，節電率達到18%的話，按年運行時間按照7 200 h計算，損耗可減少約8%～11%左右，全年可以節約用電約240萬度電。

在水泥企業的生產過程中，風機、水泵類設備應用范圍十分廣泛。風機和水泵的選型計算一般都是根據生產中可能出現的最大負荷條件，如最大流量和壓力或揚程進行選擇的。（風量的裕量系數約為5%～15%,壓力的裕量系數約為10%～30%），但實際應用中大部分時間并非工作于滿負荷狀態，所需的流量（壓力）往往比設計的最大流量（壓力）小的多。同時為適應生產工藝的要求和運行工況的控制和調節，傳統控制方法大多是采用調節擋板式閥門開度的大小來調整受控對象。用這些方法節流，雖然方法簡單，但實際上是通過人為增加管網系統阻力的辦法來達到調節的目的。見圖1。這樣，不論生產需求的大小，電機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以擋板的節流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗，還增加了設備運行環境噪音的污染。在電氣拖動設備的運行過程中，經常遇到拖動設備的負荷變化較大，而動力源電機的轉速卻不變，也就是說輸出功率的變化不能隨負荷的變化而變化，出現“大馬拉小車”的現象，造成能源浪費。從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下，其電能消耗和諸如閥門、擋板相關設備的節流損失以及維護、維修費用占到生產成本的7%～25%，也是一筆不小的生產費用開支。

同時，由于風機、水泵類設備多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，當電機通過工頻直接啟動時，它將會產生7～8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應力并產生熱量，不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現泵損壞同時電機也被燒毀的現象。

因此，對于流量變化較大的風機、水泵，采取調速的方法改變流量，是節電的有效方法。見圖2。流量的調速方法很多，常用的如變極調速、二次電阻控制調速、電磁離合器變速、液力偶合器變速、液壓聯軸器變速、可控硅串級調速、變頻調速等。這些控制方法，各有其特點。當流量調節在90%以上時，各種調速方法的效率差不多,應選用價廉的設備；由于調速裝置的效率也在90%以上，也可不采用調速裝置。若流量在60%以下時，變頻、變極和串級調速，效率高，其它控制方法不太適宜。在變頻、變極、串級三種高效調速方法中，由于后兩種調速方式，要改變原有電極的定子繞阻極對數、原有基礎位置等，不如變頻調速方法容易采用，而且變極調速不能實現無極調速。

調速可以節能，但節能的多少，需視調速系統的運行工況、運行時間 (調節與不調節流量的時間比)、流量調節范圍的大小而定。在運行中，由于流量減少，電動機和調速裝置的效率也有所下降，但電能的節約量在增加。衡量風機、水泵調速節能效果大小，主要以節能率(即節能功率與額定功率之比)來反映。

用調整電動機的轉速來改變風機、水泵的流量時，一般有以下關系:

流量和驅動電動機的轉速成正比:Q∝N

電動機的負載轉矩,即揚程和靜壓力與轉速2次方成正比例:T或H∝N2

軸功率等于轉速和轉矩的乘積，即與轉速或流量的3次方成比例:P∝N3

式中:P:功率(KW)；T:轉矩(N.m)；N:轉速(rpm)

以上表明隨著降低流量，所需功率將按降低率的3次方下降，節能效果十分顯著。

大多數風機、水泵需要調整其輸出流量，傳統的風機、水泵轉速不變，而用檔板或閥門，減小其開度，降低流量。隨著流量的減少，亦能降低功耗。但若用變頻器改變驅動風機、水泵的電動機轉速來調整流量，則能節省更多的功耗。常以兩者功耗之差定義為變頻器的節能效果。見圖1。

圖1中,橫向坐標是流量和轉速的百分值，實際上流量和轉速是一致的,改變轉速就是改變流量。縱向坐標是對應某種控制方式所需功率的百分值。圖1中列舉了5種情況。

①功耗最大的曲線是對應檔板、閥門裝在出風側來調整流量方式，功耗最大，最不節能。

②對應檔板閥門裝在吸入側來調整流量，相對第1種情況功耗較少。所以如采用檔板、閥門控制，宜盡可能將它們裝在吸入側，以減少能耗。

③采用轉送功率的變速控制，如串級控制等的功耗曲線，有明顯的節能效果，但這類設備落后，目前已很少采用。

④變頻調速控制，能大量節能，設備先進，安裝、使用、維護都十分方便，推薦廣泛應用。

⑤理想節能曲線，不考慮變頻器和有關設備的效率，完全按3次方遞減功率的理論計算的功耗曲線，只能作參考，不宜作實際測算節能效果用，否則會夸大節能效果。

還必須指出，節能是指相對不同控制方式的耗能比較，采用變頻調速控制時的節能值，一般是指和裝在吸入側檔板、閥門調整流量時相比，減小的功耗值。

例如，風量減小為80%，查圖1曲線，對裝在吸入側檔板、閥門方式耗功率值為71%。采用變頻調速控制時的耗功率值為54%,節能值即為差值17%,節能率為17/71×100%=24%。

節能計算案例

試計算160 kW風機采用變頻器調速控制流量和吸入側采用檔板和閥門控制流量時的耗功率值。計算條件:

年運行時間:假設為7 200 h

流量調整:按70%運行3 500 h、75%運行2 500 h和80%運行1 200 h三種固定工況計算。

電費按平均電價0.50元/kWh(度)支付計算。

按圖3的風量-功率曲線，查得不同風量時的耗功率百分值和計算的節能百分值，計算如表1所示。

表1 160 kW風機采用變頻器調速控制流量和吸入側采用檔板/閥門控制流量時的耗功率值/費用總值

根據本案例的計算結果表明:

①風機、泵采用變頻控制，節能效果十分顯著，經濟效益相當好。變頻器設備投資約20萬元左右，則不到20個月就能回收全部投資；

②該案例除了節能、降低運行費用外，還對保護環境有積極意義，如按照可節約標準煤0.345 kg/kWh、CO2的排放系數按0.12 Kg∕kWh折算，則在上述案例中，可節約標準煤271,840×0.345=93,785 Kg∕年、CO2年排放量將減少271,840×0.12=32,621 Kg∕年；

③實際風量、流量將根據用戶負荷來調整。一般根據運行經驗能畫出近似的各季月的負荷曲線，再利用上圖曲線，很方便地計算出各負荷段的節能值，然后累計各段的節能值，即得到年節能效果。本案例采用的計算方法，避免了煩瑣的計算，簡便易行，值得推薦使用；

④建議各單位對目前運行中風機、水泵類設備負荷進行一次普查，看是否有電動機驅動的風機和水泵，還在采用檔板或閥門來調整風/水等的流量，若有這類情況，一般常可根據實際運行情況，按上述方法進行變頻控制的節能計算,預測節能效果，據以決策是否采用變頻器來實現節能控制；

⑤采用變頻控制的優點，除了節能外，還能通過變頻器的PID閉環調節功能，實現最佳工藝設備運行工況閉環控制，節能效率將進一步提高，不再詳細敘述。

變頻調速節能計算時需考慮變頻器的效率。

GB12668定義變頻器為轉換電能并能改變頻率的電能轉換裝置。能量轉換過程中必然伴隨著損耗。在變頻器內部，逆變器功率器件的開關損耗最大，其余是電子元器件的熱損耗和風機損耗，變頻器的效率一般為95%～96%,因此在計算變頻調速節能時要將變頻器的4%～5%的損耗考慮在內。如考慮了變頻器的損耗本案例中計算的節能率，就不是35.2%，而應該為30%～31%，這樣的計算結果與實際節能率更為接近。

需要指出并注意的是，上述這類離心機械設備的工作特性，雖然都遵守比例定律，但在工程實際應用中，風機和水泵卻存在明顯的不同之處。對于風機，在絕大數情況下，系統工作時，基本特性接近理論值；對于水泵，在系統工作時，由于實際揚程的存在，在同樣流量變化時，調速泵的節能效果要低于調速風機的節能效果。因此，在設計或選用調速裝置時，要考慮上述因素。

采用變頻器對風機、水泵的變速調節控制外,還可實現大的電動機的軟停、軟起，避免了啟動時的電壓沖擊，減少電動機故障率，延長使用壽命，同時也降低了對電網的容量要求和無功損耗。

1）采用變頻器調速裝置的注意事項:

采用變頻調速器對離心風機進行調速來控制風量，與調節閥門控制風量相比具有明顯的節電效果。但在有些場合，變頻調速器不能完全取代風機的閥門，在設計中要引起特別注意。由于離心風機的風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的立方成正比,風機在恒速下,風壓-風量特性曲線為管網風阻特性閥門開度全開風機工作在點時輸出風量,在滿足同樣風量的情況下，風壓大幅度降低，功率相當于面積隨著顯著減少，節能效果十分顯著。從上面的分析還可以看出，調節閥門控制風量，隨著風量的減少，風壓反而增加；而采用變頻調速器調速來控制風量，隨著風量的減少，風壓大幅度下降。風壓下降太多，有可能滿足不了工藝要求。即如果工況點在曲線軸所圍區域內部，單純地依靠變頻調速器調速將無法滿足工藝要求，需要和閥門調節結合才能滿足工藝要求。要兼顧風量和風壓這兩個指標，否則會帶來不良的后果。

2）變頻器調速裝置安裝、調試時應注意事項。

避免過載:風機和水泵一般不容易過載，選擇變頻器的容量時保證其稍大于或等于電動機的容量即可;同時選擇的變頻器的過載能力要求也較低，一般達到120%，1 min即可。但在變頻器功能參數選擇和預置時應注意，由于負載的阻轉矩與轉速的平方成正比,當工作頻率高于電動機的額定頻率時，負載的阻轉矩會超過額定轉矩，使電動機過載。所以，要嚴格控制最高工作頻率不能超過電機額定頻率。

啟/停時變頻器加速時間與減速時間的匹配：由于風機和泵的負載轉動慣量比較大，其啟動和停止時與變頻器的加速時間和減速時間匹配是一個非常重要的問題。在變頻器選型和應用時，應根據負荷參數計算變頻器的加速時間和減速時間來選擇最短時間，以便在變頻器啟動時不發生過流跳閘和變頻器減速時不發生過電壓跳閘的情況。

避免共振:由于變頻器是通過改變電動機的電源頻率來改變電機轉速實現節能效果的，就有可能在某一電機轉速下與負荷軸系的共振點、共振頻率重合，造成負荷軸系不能容忍的振動，有時會造成設備停運或設備損壞，所以在變頻器功能參數選擇和預置時，應根據負荷軸系的共振頻率，通過設定跳躍頻率點和寬度，避免系統發生共振現象。

憋壓與水錘效應:水泵類負載在實際運行過程中，容易發生憋壓和水錘效應，所以變頻器選型時，在功能設定時要針對這個問題進行單獨設定。

①憋壓，水泵類負載在低速運行時，由于關閉出口門使壓力升高，從而造成泵汽蝕。在變頻器功能設定時，通過限定變頻器的最低頻率來限定泵流量的臨界點最低轉速，可避免此類現象的發生。

②水錘效應，水泵類負載在突然斷電時，由于泵管道中的液體重力而倒流。若逆止閥不嚴或沒有逆止閥，將導致電機反轉，因電機發電而使變頻器發生故障或燒壞。在變頻器系統設計時，應使變頻器按減速曲線停止，在電機完全停止后再斷開主電路，或者設定“斷電減速停止”功能，可避免該現象的發生。

在變頻器的電源側和電機側都會產生諧波干擾，對供電電網和變頻器周圍的其他電氣設備要產生EMC干擾。另外為了確保變頻器長期可靠的運行，變頻器的接線是非常重要的。變頻裝置還會產生一些高頻干擾信號。如果能給高頻噪聲電流Is有一條正確的通道，則高頻噪聲是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽電機電纜，則高頻噪聲電流Is制以一個不確定的路線流回變頻器，并在此回路中產生高頻分量壓降，影響其他設備。為使高頻噪聲電流Is能沿確定路線流回變頻器，需要采用屏蔽電機電纜。并確保電纜屏蔽層必須連接到變頻器外殼和電機外殼上。同時，要保證變頻裝置有良好的接地:為確保傳動柜中的所有設備接地良好，使用短和粗的接地線連接到公共接地點或接地母排上。特別重要的是,連接到變頻器的任何控制設備（比如一臺PLC）要與其共地,同樣也要使用短和粗的導線接地。最好采用扁平導體（例如金屬網）因其在高頻時阻抗較低。

電機電纜的地線應直接連接到相應變頻器的接地端子（PE）。

安裝變頻器時,建議安裝板使用無漆鍍鋅鋼板，以確保變頻器的散熱器和安裝板之間有良好的電氣連接。

對變頻電機應采用專用變頻電纜且電纜兩端都應接地。敷設時變頻電纜不能與其它電纜長距離平行走線，最好與其它線成垂直角度，且長度應盡可能的短，以減少電磁輻射和容性電流及變頻器輸出電壓的快速變化產生的電磁干擾。另外，隨著現場總線技術在變頻器中的運用，其數字信號和模擬信號通過總線直接與上位機以從/主關系進行通訊，變頻柜內的接線簡化也節約了設備成套成本，安裝接線也特別簡單。設計時，還可以將變頻器以墻掛箱的形式安裝于現場，這就大大縮短了變頻器與電機之間的距離，節約了電纜，還減少了對周圍其它電氣設備的干擾。

控制電纜最好使用屏蔽電纜。一般來說，控制電纜的屏蔽層應直接在變頻器的內部接地，另一側通過一個高頻小電容（例如3.3nF／3000V）接地。當屏蔽層兩端的差模電壓不高和連接到同一地線上時，也可以將屏蔽層的兩端直接接地。信號線和它的返回線絞合在一起,能減小感性耦合引起的干擾。絞合越靠近端子越好。模擬信號的傳輸線應使用雙屏蔽的雙絞線。不同的模擬信號線應該獨立走線，有各自的屏蔽層，以減少線間的耦合。不要把不同的模擬信號置于同一個公共返回線。低壓數字信號線最好使用雙屏蔽的雙絞線，也可以使用單屏蔽的雙絞線。

為減少對電網的高次諧波干擾，在變頻裝置的輸入側配置濾波電抗器。

對于壓縮機、振動機等轉矩波動大的負載和油壓泵等有峰值負載情況下，如果按照電動機的額定電流或功率值選擇變頻器的話，有可能發生因峰值電流使過電流保護動作現象。

變頻器驅動潛水泵電動機時，因為潛水泵電動機的額定電流比通常電動機的額定電流大，所以選擇變頻器時，其額定電流要大于潛水泵電動機的額定電流。

當變頻器控制羅茨風機時，由于其啟動電流很大，所以選擇變頻器時一定要注意變頻器的容量是否足夠大。

3）其他應用

對于供水系統,如果計算后水泵的選型為H，可以有兩種方案供選擇:

①選擇兩臺H容量的水泵，采用一用一備的方案；

②選擇三臺H/2容量的水泵，采用二用一備的變頻器驅動方案。

方案二的優點:

①供水系統調節靈活；②三臺交替工作，循環使用；③采用變頻裝置的啟動，減少對電網的沖擊；④根據工藝的控制需要，實現閉環恒壓控制系統；⑤節能效果顯著。

4）結論

企業向內控制成本節約一分，所取得的效益，遠勝于市場銷售業績增加十份的努力。

[1] 陸安定,等.電動機節能改造實用手冊[M].