變頻調速技術在風機、泵類應用中的節能分析
摘要： 在工業生產和產品加工制造業中，風機、泵類設備應用范圍廣泛；其電能消耗是一筆不小的生產費用開支。隨著經濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇；節能降耗業已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一.
一、引言
在工業生產和產品加工制造業中，風機、泵類設備應用范圍廣泛；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%，是一筆不小的生產費用開支。隨著經濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇；節能降耗業已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一。
而八十年代初發展起來的變頻調速技術，正是順應了工業生產自動化發展的要求，開創了一個全新的智能電機時代。一改普通電動機只能以定速方式運行的陳舊模式，使得電動機及其拖動負載在無須任何改動的情況下即可以按照生產工藝要求調整轉速輸出，從而降低電機功耗達到系統高效運行的目的。
八十年代末，該技術引入我國并得到推廣。現已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業的電機傳動設備中得到實際應用。目前，變頻調速技術已經成為現代電力傳動技術的一個主要發展方向。卓越的調速性能、顯著的節電效果，改善現有設備的運行工況，提高系統的安全可靠性和設備利用率，延長設備使用壽命等優點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現。 ???? ????
二、綜述
通常在工業生產、產品加工制造業中風機設備主要用于鍋爐燃燒系統、烘干系統、冷卻系統、通風系統等場合，根據生產需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調節以適應工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節流損失消耗掉了。在生產過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。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。 ????
泵類設備在生產領域同樣有著廣闊的應用空間，提水泵站、水池儲罐給排系統、工業水（油）循環系統、熱交換系統均使用離心泵、軸流泵、齒輪泵、柱塞泵等設備。而且，根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，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，嚴重時損壞設備、影響生產、危及產品質量。
風機、泵類設備多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。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。
近年來，出于節能的迫切需要和對產品質量不斷提高的要求，加之采用變頻調速器（簡稱變頻器）易操作、免維護、控制精度高，并可以實現高功能化等特點；因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。
變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術，電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產品。
三、節能分析
通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。
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），額定轉速為n0,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應的壓力為H1,出口流量為Q1。流量-轉速-壓力關系曲線如下圖所示。
在現場控制中，通常采用水泵定速運行出口閥門控制流量。當流量從Q1減小50%至Q2時，閥門開度減小使管網阻力特性由r0變為r1，系統工作點沿方向I由原來的A點移至B點；受其節流作用壓力H1變為H2。水泵軸功率實際值（kW）可由公式：P =Q·H／（η c·η b）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、η c 、η b 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。假設總效率（η c·η b）為1，則水泵由A點移至B點工作時，電機節省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調速手段改變水泵的轉速n，當流量從Q1減小50%至Q2時，那么管網阻力特性為同一曲線r0，系統工作點將沿方向II由原來的A點移至C點，水泵的運行也更趨合理。在閥門全開，只有管網阻力的情況下，系統滿足現場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調節和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節能效果。
另外，從圖中還可以看出：閥門調節時將使系統壓力H升高，這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞；而轉速調節時，系統壓力H將隨泵轉速n的降低而降低，因此不會對系統產生不良影響。
從上面的比較不難得出：當現場對水泵流量的需求從100%降至50%時，采用轉速調節將比原來的閥門調節節省BCH3H2所對應的功率大小，節能率在75%以上。 ????與此相類似的，如果采用變頻調速技術改變泵類、風機類設備轉速來控制現場壓力、溫度、水位等其它過程控制參量，同樣可以依據系統控制特性繪制出關系曲線得出上述的比較結果。亦即，采用變頻調速技術改變電機轉速的方法，要比采用閥門、擋板調節更為節能經濟，設備運行工況也將得到明顯改善。
四、節能計算 ??
對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：
1、根據已知風機、泵類在不同控制方式下的流量－負載關系曲線和現場運行的負荷變化情況進行計算。
以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16m3/h，揚程50m；配備Y225M-4型電動機，額定功率45kW。泵在閥門調節和轉速調節時的流量－負載曲線如下圖示。根據運行要求，水泵連續24小時運行，其中每天11小時運行在90%負荷，13小時運行在50%負荷；全年運行時間在300天。 ???? ????
則每年的節電量為：W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW·h
W2=45×13×（95%－20%）×300 =131625kW·h
W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h
每度電按0.5元計算，則每年可節約電費8.883萬元。
2、根據風機、泵類平方轉矩負載關系式：P / P0=（n / n0）3計算，式中為P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率。
以一臺工業鍋爐使用的22 kW鼓風機為例。運行工況仍以 24小時連續運行，其中每天11小時運行在90%負荷（頻率按46Hz計算,擋板調節時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負荷（頻率按20Hz計算，擋板調節時電機功耗按70%計算）；全年運行時間在300天為計算依據。 ????
則變頻調速時每年的節電量為：W1=22×11×[1－（46/50）3]×300=16067kW·h
W2=22×13×[1－（20/50）3]×300=80309kW·h
Wb = W1＋W2=16067＋80309=96376 kW·h
擋板開度時的節電量為：W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h
W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW·h
Wd = W1＋W2=1452＋21780=23232 kW·h
相比較節電量為：W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW·h
每度電按0.5元計算，則采用變頻調速每年可節約電費3.657萬元。 某工廠離心式水泵參數為：離心泵型號6SA-8，額定流量53. 5 L/s，揚程50m；所配電機Y200L2-2型37 kW。對水泵進行閥門節流控制和電機調速控制情況下的實測數據記錄如下：
流 量L/s 時 間（h） 消耗電網輸出的電能（kW·h）
閥門節流調節 電機變頻調速
47 2 33.2×2=66.4 28.39×2=56.8
40 8 30×8=240 21.16×8=169.3
30 4 27×4=108 13.88×4=55.5
20 10 23.9×10=239 9.67×10=96.7
合計 24 653.4 378.3
相比之下，在一天內變頻調速可比閥門節流控制節省275.1 kW·h的電量，節電率達42.1%。
五、結束語
風機、泵類等設備采用變頻調速技術實現節能運行是我國節能的一項重點推廣技術，受到國家政府的普遍重視，《中華人民共和國節約能源法》第39條就把它列為通用技術加以推廣。實踐證明，變頻器用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產周期。直接和間接經濟效益十分明顯，設備一次性投資通常可以在9個月到16個月的生產中全部收回。
一、引言
在工業生產和產品加工制造業中，風機、泵類設備應用范圍廣泛；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%，是一筆不小的生產費用開支。隨著經濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇；節能降耗業已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一。
而八十年代初發展起來的變頻調速技術，正是順應了工業生產自動化發展的要求，開創了一個全新的智能電機時代。一改普通電動機只能以定速方式運行的陳舊模式，使得電動機及其拖動負載在無須任何改動的情況下即可以按照生產工藝要求調整轉速輸出，從而降低電機功耗達到系統高效運行的目的。
八十年代末，該技術引入我國并得到推廣。現已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業的電機傳動設備中得到實際應用。目前，變頻調速技術已經成為現代電力傳動技術的一個主要發展方向。卓越的調速性能、顯著的節電效果，改善現有設備的運行工況，提高系統的安全可靠性和設備利用率，延長設備使用壽命等優點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現。 ???? ????
二、綜述
通常在工業生產、產品加工制造業中風機設備主要用于鍋爐燃燒系統、烘干系統、冷卻系統、通風系統等場合，根據生產需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調節以適應工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節流損失消耗掉了。在生產過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。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。 ????
泵類設備在生產領域同樣有著廣闊的應用空間，提水泵站、水池儲罐給排系統、工業水（油）循環系統、熱交換系統均使用離心泵、軸流泵、齒輪泵、柱塞泵等設備。而且，根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，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，嚴重時損壞設備、影響生產、危及產品質量。
風機、泵類設備多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。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。
近年來，出于節能的迫切需要和對產品質量不斷提高的要求，加之采用變頻調速器（簡稱變頻器）易操作、免維護、控制精度高，并可以實現高功能化等特點；因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。
變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術，電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產品。
三、節能分析
通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。
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），額定轉速為n0,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應的壓力為H1,出口流量為Q1。流量-轉速-壓力關系曲線如下圖所示。
在現場控制中，通常采用水泵定速運行出口閥門控制流量。當流量從Q1減小50%至Q2時，閥門開度減小使管網阻力特性由r0變為r1，系統工作點沿方向I由原來的A點移至B點；受其節流作用壓力H1變為H2。水泵軸功率實際值（kW）可由公式：P =Q·H／（η c·η b）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、η c 、η b 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。假設總效率（η c·η b）為1，則水泵由A點移至B點工作時，電機節省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調速手段改變水泵的轉速n，當流量從Q1減小50%至Q2時，那么管網阻力特性為同一曲線r0，系統工作點將沿方向II由原來的A點移至C點，水泵的運行也更趨合理。在閥門全開，只有管網阻力的情況下，系統滿足現場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調節和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節能效果。
另外，從圖中還可以看出：閥門調節時將使系統壓力H升高，這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞；而轉速調節時，系統壓力H將隨泵轉速n的降低而降低，因此不會對系統產生不良影響。
從上面的比較不難得出：當現場對水泵流量的需求從100%降至50%時，采用轉速調節將比原來的閥門調節節省BCH3H2所對應的功率大小，節能率在75%以上。 ????與此相類似的，如果采用變頻調速技術改變泵類、風機類設備轉速來控制現場壓力、溫度、水位等其它過程控制參量，同樣可以依據系統控制特性繪制出關系曲線得出上述的比較結果。亦即，采用變頻調速技術改變電機轉速的方法，要比采用閥門、擋板調節更為節能經濟，設備運行工況也將得到明顯改善。
四、節能計算 ??
對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：
1、根據已知風機、泵類在不同控制方式下的流量－負載關系曲線和現場運行的負荷變化情況進行計算。
以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16m3/h，揚程50m；配備Y225M-4型電動機，額定功率45kW。泵在閥門調節和轉速調節時的流量－負載曲線如下圖示。根據運行要求，水泵連續24小時運行，其中每天11小時運行在90%負荷，13小時運行在50%負荷；全年運行時間在300天。 ???? ????
則每年的節電量為：W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW·h
W2=45×13×（95%－20%）×300 =131625kW·h
W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h
每度電按0.5元計算，則每年可節約電費8.883萬元。
2、根據風機、泵類平方轉矩負載關系式：P / P0=（n / n0）3計算，式中為P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率。
以一臺工業鍋爐使用的22 kW鼓風機為例。運行工況仍以 24小時連續運行，其中每天11小時運行在90%負荷（頻率按46Hz計算,擋板調節時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負荷（頻率按20Hz計算，擋板調節時電機功耗按70%計算）；全年運行時間在300天為計算依據。 ????
則變頻調速時每年的節電量為：W1=22×11×[1－（46/50）3]×300=16067kW·h
W2=22×13×[1－（20/50）3]×300=80309kW·h
Wb = W1＋W2=16067＋80309=96376 kW·h
擋板開度時的節電量為：W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h
W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW·h
Wd = W1＋W2=1452＋21780=23232 kW·h
相比較節電量為：W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW·h
每度電按0.5元計算，則采用變頻調速每年可節約電費3.657萬元。 某工廠離心式水泵參數為：離心泵型號6SA-8，額定流量53. 5 L/s，揚程50m；所配電機Y200L2-2型37 kW。對水泵進行閥門節流控制和電機調速控制情況下的實測數據記錄如下：
流 量L/s 時 間（h） 消耗電網輸出的電能（kW·h）
閥門節流調節 電機變頻調速
47 2 33.2×2=66.4 28.39×2=56.8
40 8 30×8=240 21.16×8=169.3
30 4 27×4=108 13.88×4=55.5
20 10 23.9×10=239 9.67×10=96.7
合計 24 653.4 378.3
相比之下，在一天內變頻調速可比閥門節流控制節省275.1 kW·h的電量，節電率達42.1%。
五、結束語
風機、泵類等設備采用變頻調速技術實現節能運行是我國節能的一項重點推廣技術，受到國家政府的普遍重視，《中華人民共和國節約能源法》第39條就把它列為通用技術加以推廣。實踐證明，變頻器用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產周期。直接和間接經濟效益十分明顯，設備一次性投資通常可以在9個月到16個月的生產中全部收回。
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