低壓風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

李學(xué)生

(中鋼集團(tuán)安徽天源科技股份有限公司)

我國的耗能標(biāo)準(zhǔn)比其他發(fā)達(dá)國家要高很多，主要是由于歷史原因造成的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理和產(chǎn)品的能耗高，造成能源大量的浪費(fèi)等問題。國家規(guī)劃要求，大力開展能源節(jié)約與資源綜合利用，要徹底解決好此問題，首先要找出耗能根源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國各類電動(dòng)機(jī)用電量約占全國用電量的60%，其中風(fēng)機(jī)的用電量占全國用電量的10.4%[1]。節(jié)能方式有換電機(jī)或采取方法提高電機(jī)節(jié)電率。近年來，國家采用補(bǔ)貼等優(yōu)惠政策大力發(fā)展YE3、YE4、永磁、新能源等高效電機(jī)，但價(jià)格高、市場占有率低。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)日臻完善，功能越來越多，質(zhì)量越來越可靠，性價(jià)比越來越高。風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了成本不斷降低，性能不斷完善，在生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)?huì)逐步得到推廣應(yīng)用。

1　工況分析

1.1　負(fù)載設(shè)備參數(shù)

負(fù)載設(shè)備參數(shù)見表1。

表1　負(fù)載設(shè)備參數(shù)

1.2　負(fù)載設(shè)備工況

1.2.1風(fēng)機(jī)分析

通常風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)余量大，調(diào)速范圍寬，采用工頻供電，額定功率、額定速度運(yùn)行，而實(shí)際上生產(chǎn)風(fēng)量需求是不固定的，時(shí)大時(shí)小，通過人工調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或閥門開度的大小達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又能滿足生產(chǎn)的需求難度很大，長期運(yùn)行下來效率偏低，能源浪費(fèi)較大。如果通過變頻器按生產(chǎn)實(shí)際需求量進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，既能滿足生產(chǎn)，又能達(dá)到節(jié)能的效果。

1.2.2節(jié)電原理

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)[2]可知：

(1)風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速成正比。

(2)風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

(3)風(fēng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

設(shè)風(fēng)機(jī)的軸功率為p，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程為h，流量為q，則有下式(1)成立：

p=kn3，h=kn2，q=kn，

(1)

當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)軸功率、揚(yáng)程、流量同時(shí)按不同的方次下降，由公式(1)可計(jì)算出表2。

表2　風(fēng)機(jī)軸功率、流量、壓力與轉(zhuǎn)速計(jì)算表

注：表中轉(zhuǎn)速、壓力、揚(yáng)程、流量、功率數(shù)值為不同頻率下的運(yùn)行值÷額定值×100%，節(jié)電率為(1-運(yùn)行功率)×100%。

1.2.3風(fēng)機(jī)閥門調(diào)節(jié)存在的問題

(1)節(jié)流損失大、管網(wǎng)損失嚴(yán)重、能源浪費(fèi)大、系統(tǒng)效率低。

(2)無法隨時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤工藝進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)以滿足最佳工藝要求，自適應(yīng)性差。

(3)閥門開度長期保持30%～50%，磨損快，特性差，壽命短，維護(hù)量大。

(4)工頻啟動(dòng)時(shí)電流大，沖擊電網(wǎng)很大，壽命變短，故障率增高。55 kW風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)電流曲線見圖1。

圖1　55 kW風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)電流曲線

2　變頻器選型

2.1　PI9230系列變頻器簡介

PI9230型變頻器為PI系列通用變頻器功能增強(qiáng)型產(chǎn)品，DSP控制系統(tǒng)，擁有完善的無速度傳感器控制、V/F控制，功能齊全，方便靈活，性能穩(wěn)定。已在風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。PI9230通用型變頻器綜合技術(shù)特性如下：

(1)輸入輸出特性。輸入電壓范圍380 V±15%、頻率范圍50 Hz±5%；輸出電壓范圍0～380 V、頻率范圍0～300 Hz。

(2)外圍接口特性。數(shù)字輸入：8路開關(guān)量輸入，1路高速脈沖輸入，最高輸入頻率100 kHz；2路模擬量輸入：AI1為-10～10 V輸入，AI2為0～10 V或0～20 mA輸入；2路常開集電極輸出(常開集電極輸出或高速脈沖輸出)；2路繼電器(常開或常閉可選)輸出；2路模擬量輸出，AO1、AO2，分別可選0/4～20 mA或0～10 V；外圍接口均為可編程自定義。

(3)技術(shù)性能特性。控制方式：優(yōu)化的V/F控制；過載能力：150%額定電流60 s，180%額定電流2 s；調(diào)速比：1∶100；載波頻率：0.5～16.0 kHz。

(4)功能特性。①頻率設(shè)定方式：數(shù)字、模擬量、脈沖頻率、串行通訊、多段速及簡易PLC、PID設(shè)定等，也可以組合設(shè)定的和方式切換；②PID控制功能；③簡易PLC、多段速控制功能，最多16段速控制；④轉(zhuǎn)速追蹤再起動(dòng)功能；⑤自動(dòng)電壓調(diào)整功能；⑥提供多種故障保護(hù)功能。

2.2　變頻器控制方式

(1)風(fēng)機(jī)上裝設(shè)變頻系統(tǒng)。

(2)兩種控制方式，即遠(yuǎn)程和就地控制。

(3)外圍接口都是可編程自定義。用戶可以根據(jù)要求搭建應(yīng)用系統(tǒng)，且具有良好的可擴(kuò)充性。

(4)通過硬接線方式和DCS接口，或通過RS485通訊接口和DCS進(jìn)行MODBUS通訊協(xié)議控制通訊，利用系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)變頻器遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止、調(diào)速。

(5)頻率給定及調(diào)節(jié)方式見表3。

表3　變頻器頻率給定及調(diào)節(jié)方式

3　系統(tǒng)組成及控制

3.1　變頻器配置

根據(jù)現(xiàn)場的額定參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行工況，選用PI9230系列變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造設(shè)備，其主要型號(hào)及輔助器件見表4、表5。

表4　變頻器型號(hào)及功率

表5　變頻柜其他主要輔助器件配置

3.2　變頻器切換方式

根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)機(jī)配置特性進(jìn)行如下(見圖2)變頻改造方案。

變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關(guān)、變頻柜、PI9230變頻器、電機(jī)組成。變頻柜是由一個(gè)開關(guān)(QM)和兩個(gè)接觸器KM1、KM2及相應(yīng)其他主要輔助器件組成。變頻器柜設(shè)計(jì)時(shí)考慮到變頻器故障或維修時(shí)，不影響生產(chǎn)，冗余設(shè)計(jì)輸出接觸器KM1和旁路接觸器KM2互鎖，以備變頻器故障時(shí)可以切換到旁路手動(dòng)工頻工作，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3.3　頻率控制方式

變頻器端子控制接線見圖3。

圖2　變頻器控制系統(tǒng)示意圖

圖3　變頻器端子控制接線圖

系統(tǒng)提供了兩種控制電機(jī)轉(zhuǎn)速或頻率的方法：

(1)手動(dòng)調(diào)節(jié)(變頻器開環(huán)運(yùn)行)。通過人機(jī)界面可遠(yuǎn)程設(shè)定或就地調(diào)節(jié)給定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)滿足生產(chǎn)需要的風(fēng)量和壓力。

(2)自動(dòng)調(diào)節(jié)(變頻器閉環(huán)運(yùn)行)。將現(xiàn)場監(jiān)控模擬信號(hào)(壓力或流量)傳給變頻器，通過與設(shè)定值比較，PID自動(dòng)輸出要求的頻率，確保風(fēng)機(jī)在要求的風(fēng)量或壓力范圍內(nèi)高效率的運(yùn)行。

4　效益分析

4.1　負(fù)載特性說明[3]

負(fù)載特性是指電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，也叫負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。電動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)電，與負(fù)載特性的關(guān)系極為密切。典型的3種負(fù)載特性是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性、恒功率負(fù)載特性、風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載特性(見表6)。由表中可看出風(fēng)機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，為變頻調(diào)速提供了理論根據(jù)及很大的節(jié)能空間。

表6　電力拖動(dòng)典型負(fù)載特性表

4.2　風(fēng)機(jī)調(diào)速的節(jié)電效果

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)大都存在著大馬拉小車的工作現(xiàn)象，設(shè)備長期滿負(fù)荷低效率運(yùn)行。工頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)多采用機(jī)械節(jié)流方式調(diào)節(jié)流量，主要是調(diào)節(jié)閥門(擋板)，即調(diào)節(jié)管道進(jìn)、出口開度，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。當(dāng)調(diào)節(jié)閥門(擋板)時(shí)，管阻特性會(huì)隨之而變化，而電機(jī)工頻運(yùn)行速度不變，其揚(yáng)程特性不變[4]。如圖4所示，當(dāng)流量從QA下降到QB時(shí)，工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，由公式(1)可推算出供氣功率PA與0EBF區(qū)域的面積成正比。

圖4　風(fēng)機(jī)工頻、變頻運(yùn)行能耗的分析圖

變頻調(diào)速是通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的。管道處于全開狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其揚(yáng)程特性隨之而改變，但管阻特性不變。如圖4所示，當(dāng)流量從QA下降到QB時(shí)，工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到C點(diǎn)，供氣功率PB與0ECH區(qū)域的面積成正比。

由圖4可知，風(fēng)機(jī)工頻閥門調(diào)節(jié)與變頻調(diào)速相比，產(chǎn)生同樣的流量QB，節(jié)約的功率△P與HCBF區(qū)域的面積成正比。

4.3　變頻節(jié)能計(jì)算公式

(1)工頻運(yùn)行功率計(jì)算公式

P工=U×I×1.732×cosφ

或P工=用電量÷相應(yīng)時(shí)間 ,

(2)

式中，U為工頻運(yùn)行電壓，kV；I為工頻運(yùn)行電流，A；P工為工頻運(yùn)行功率，kW；cosφ為工頻運(yùn)行功率因數(shù)。

(2)變頻運(yùn)行功率計(jì)算公式

由公式(1)可推出

P變=P工×(f變/f工)3,

(3)

式中，P變?yōu)樽冾l運(yùn)行功率；P工為工頻運(yùn)行功率；f變?yōu)樽冾l運(yùn)行頻率；f工為工頻頻率；當(dāng)然公式(3)只是純理論計(jì)算，變頻器自身能耗不含在內(nèi)，且機(jī)械損耗也未考慮，可作為參考計(jì)算。

(3)變頻改造后系統(tǒng)節(jié)電率計(jì)算公式(結(jié)算時(shí)以現(xiàn)場測試的真實(shí)數(shù)據(jù)為準(zhǔn))

(4)

4.4　節(jié)電考核方法

變頻改造前對(duì)要準(zhǔn)備改造的電機(jī)安裝電度表和累時(shí)器運(yùn)行10～15 d后記下電度表和累時(shí)器的數(shù)字，算出電機(jī)工頻運(yùn)行每小時(shí)平均電耗，即工頻電耗

安裝變頻器后，用同一電度表計(jì)量，運(yùn)行10～15 d后再記下電度表和累時(shí)器的數(shù)字，算出該電機(jī)變頻運(yùn)行每小時(shí)平均電耗，即

再計(jì)算出該電機(jī)變頻調(diào)速后每小時(shí)節(jié)電=工頻電耗-變頻電耗，本月節(jié)約電度數(shù)=(工頻電耗-變頻電耗)×本月變頻器運(yùn)行時(shí)間。

4.5　間接效益

變頻調(diào)速還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)一般都低于0.8，變頻調(diào)速后，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.9以上，增加了負(fù)荷使用容量，考慮到變頻器自身電耗約4%，該項(xiàng)綜合節(jié)電6%以上。

(2)電壓適應(yīng)范圍寬、啟動(dòng)電流低、保護(hù)完善、磨損減少、壽命延長，維護(hù)和維修費(fèi)用下降。

(3)可遠(yuǎn)程簡單方便的設(shè)定參數(shù)和監(jiān)控，同時(shí)為設(shè)備信息化管理打下良好的基礎(chǔ)。

5　結(jié)　語

風(fēng)機(jī)變頻改造后，操作方便，保護(hù)完善，解決了原風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的缺點(diǎn)及不足，減輕了維護(hù)量，減少了維修成本，提高了系統(tǒng)的使用壽命，節(jié)電效果非常顯著，節(jié)電率一般在30%～70%，推廣前景廣闊。

[1]國際銅業(yè)協(xié)會(huì).電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能實(shí)用指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]郝用興，苗滿香，羅小燕.機(jī)電傳動(dòng)控制[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

[4]游夢娜.電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2013.