变频器在风机及泵类负载节能降耗中的作用

现代工业自动化专题题目名称变频器在风机及泵类负载节能降耗中的作用学院自动化学院专业年级学号学生姓名授课教师2013年6月25日变频器在风机及泵类负载节能降耗中的作用前提：节能减排作为扩大内需、稳定增长的重要结合点，政府已经采取措施支持扩大节能环保产品消费、加大节能环保领域投资力度。首先在节能家电方面，政府出台的财政补贴政策预计拉动4500亿元的节能家电消费需求，形成1170万吨标准煤的年节能能力；其次，在新能源和可再生能源方面，财政部将加大支持力度，显著提高新能源与可再生能源在中国能源消费中的比重，并且重点支持煤层气、页岩气等非常规油气资源发展，争取尽早实现产业化；第三，新能源汽车也是今年财政政策关注的重点领域。当然，工业领域作为能耗的大户无疑是节能减排的重点，在供配电系统、变电设备、照明系统及电气设备中采取节能措施都是常见的做法，其中电气设备，尤以提高功率因数，减少无功损耗等方面为重。”摘要:从理论上分析了风机、泵类负载的流量、转速、扬程与功率之间的关系,举例证明了应用变频调速器来改变风机流量比调节风门开度改变流量的方法节能降耗效果更显著。关键词:风机;水泵;变频调速;节能降耗;效果风机、水泵是工矿企业用量大、耗电多的通用机械,其用电量约占企业用电总量的40%以上。风机、泵类负载多是根据满负荷工作量来选型,实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态。据统计,风机、泵类负载运行效率经常在50%～70%。当生产工艺要求流量变化时,常用调节风门、闸门开度的方式来调节流量大小,以适应生产工矿要。大量电能消耗在挡板上,运行效率低,能源浪费严重。在工矿企业新建和改扩建项目中,如何应用新技术降低风机、泵类负载运行中的能量损耗,做好节能、节电工作,是科技人员的重要责任。理论1节能分析风机、泵类具有相似的负载特性,均属于二次方转矩负载,从理论上讲具有以下特点:Q2/Q1=N2/N1H2/H1=(N2/N1)2P2/P1=(N2/N1)3式中:Q1、Q2———流量,m3/s;N1、N2———转速,r/min;P1、P2———功率,kW;H1、H2———扬程,m。从这三个公式中可以看出,风机、泵类负载的流量与转速成正比,扬程与转速的二次方成正比,功率与转速的三次方成正比。当流量需要改变时,只改变风门或闸门的开度,而电机保持恒速运转,所需功率降幅很小,工作效率低。如通过调节转速来控制,则所需功率以近似流量的三次方大幅度下降。下面以风机为例进行分析,图1所示为风机压力—风量特性曲线,其中曲线1为风机在额定转速(N1)下的自然工作特性,曲线2为风机在转速(N2)下的工作特性;曲线3为自然压力—风量特性曲线,曲线4为改变风门开度来调节流量时的压力—风量特性曲线。曲线1与曲线3的交点A为自然工作点,设A点的风量QA为100%,此时所需功率PA=HAQA。图1风机压力—风量特性曲线当生产工艺要求风量减小时,调节风门开45煤炭加工与综合利用COALPROCESSING&COMPREHENSIVEUTILIZATIONNo13,2007度,电机转速保持不变,风道压力增加,当流量减小到Q2(80%QA)时,风道压力增大到112HA,风机工作特性由曲线3过渡到曲线4,系统由自然工作点A变到工作点B,此时所需功率PB=HBQ2=112HA×018QA=0196PA。可见风机输出轴功率随风量的减少仅降低了4%,大量能量损失在风门挡板上,风门也极易损坏,同时由于风道承受的压力加大,使机械设备容易损坏,产生跑漏风现象。如果采用变频调速,当风量减小时,调节电机转速到N2,风机工作特性由曲线1过渡到曲线2,系统由自然工作点A变到工作点C,此时所需功率PC=HCQ2=017HA×018QA=0156PA,降低了44%。可见当风量下降20%时,风机输出轴功率下降了44%,同时,随着转速的降低,风道压力降低到017HA,系统运行性能稳定,安全高效,节能效果显著。图2所示为功率随风量变化的曲线,其中PD为调节风门开度控制流量的功率曲线,PZ为变频调速控制流量的功率曲线,由图2可以看出,在所需风量相同的情况下,转速控制比风门控制消耗功率低,节电率高,以风量降低到80%QA为例,转速控制比风门控制增大的节电率为:(PB-PC)/PB×100%=(0196PA-0156PAPC)/0196PA×100%=41%由此可见,变频调速是风机、泵类负载节能降耗的最佳选择。图2功率随风量变化曲线2经济效益分析变频调速装置在国内各行业广泛应用,如城市给排水、冶金、石化、煤炭等,节约了大量资源,降低了生产成本。例如,某煤矿主扇风机采用GAF3515-2111-1FB型轴流式通风机,其配套主电机为交流异步电动机,额定电压6kV,额定功率3200kW。通过调节风叶角度调节风量大小。通风技术参数为:通风容易时期风量450145m3/s,负压2540Pa,风机轴功率1754kW,扇叶安装角度为0度;通风困难时期风量450145m3/s,负压4122Pa,风机轴功率2542kW,扇叶安装角度为10度;风机24h运行,年运行约365d,生产周期10a,其中通风容易时期约7a,通风困难时期约3a。对系统进行改造,采用变频调速控制风量,目前国外进口6kV等级变频调速设备约1300元/kW,一套投资416万元。根据已知的通风参数对主扇风机采用变频调速的节能效果进行估算:(1)通风容易期最大轴功率1742kW,根据风量负压可算出定速时风机效率为0165,采用变频调速可将风机的效率调至80%,则风机轴功率为:(450155×2540)÷1000÷018=1430(kW)。比调节扇叶角度控制时节能1742-1430=312(kW),年节电312×24×365=2733120(kW·h)。若电价按015元/kW·h计算,每年节约电费137万元。按静态投资分析法,在通风容易期一套进口产品投资回收期为416÷137=3a。(2)通风困难期最大轴功率2542kW,根据风量负压可算出定速时风机效率为0176,采用变频调速可将风机的效率调至80%,则风机轴功率为:(450155×4122)÷1000÷018=2321(kW)。比调节扇叶角度控制时节能2542-2321=221(kW),年节电量221×8760=1937065(kW·h),年节约电费97万元。(3)在生产周期10a内,共节约电费137×7+97×3=1250(万元)。变频调速节能装置的节能原理1、变频节能由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）╳H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8％，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5％。2、功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=S╳COSФ，Q=S╳SINФ，其中S－视在功率，P－有功功率，Q－无功功率，COSФ－功率因数，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSФ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。3、软启动节能由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于（４-7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。结束语随着科学技术的发展,变频器调速技术被广泛应用于各工业生产领域,尤其是对于要求流量不断变化的风机、泵类负载。采用变频器调速控制流量,从根本上克服了调节风门、闸门开度控制流量的弊端,系统运行效率高,节电节能效果显著,同时变频器可实现电动机的软启软停,避免了电机启动时的冲击,事故率少,维护费用低,延长了设备使用寿命,提高了企业经济效益和竞争力,为企业节能降耗发挥了巨大作用。附图参考文献[1]中国航空工业规划设计研究院，工业与民用配电设计手册(第三版)，北京:中国电力出版社，2005.[2]编写组，工厂常用电气设备手册(第二版).北京:中国电力出版社，1997.[3]杨岳，电气安全，北京:机械工业出版社，2003.[4]雍静，供配电系统，北京:机械工业出版社，2003.[5]GB50052-95供配电系统设计规范，北京:中国计划出版社，1996.[6]GB50053-9410kV及以下变配电所设计规范，北京:中国计划出版社，1994.[7]GB50055-93通用用电设备配电设计规范，北京:中国计划出版社，1994.[8]电力二次设备操作规程与电力二次系统安全防护规定，吉林:吉林科学技术出版社，2005.[9]电力电缆线路设计施工手册，北京:中国电力出版社，2007.[10]高压并联电容器无功补偿实用技术，北京:中国电力出版社，2006.[11]线损管理手册，北京:中国电力出版社，2007.[12]配电系统故障处理自动化技术，北京:中国电力出版社，2006.[13]电缆故障分析与测试，北京:中国电力出版社，2005.[14]文德建，供配电设备状态维修管理认识与实践.化工之友，2007,(03),pp12-14.[15]吴兵，供配电系统中的注意事项及其解决方案.广东科技，2007,(02),pp42-46[16]陈毅华，浅谈如何提高配电网供电可靠性.广东科技，2007,(02),pp5-9[17]徐群英，电气节能设计.广西城镇建设，2007,(01),pp23-24[18]吕继光，工业厂房供配电模式的选择.现代物业，2007,(01),pp16-19[19]吕广强，赵剑锋，程明，许扬，配电网动态电能质量问题及其解决方案.高电压技术，2007,(01),pp52-56[20]潘鹏飞，王旭，唐宏丹，无人值班变电所的遥视技术，东北电力技术，2007,(03)[21]胡诚，周芳，配电网保护的现状与发展，湖北电力，2007,(01)[22]信息，通信世界，2007,(04),pp41-45.[23]热点资讯，电子测量技术，2007,(02),pp67-69.[24]吕艳芝，浅谈降低线损的技术和管理措施，农村电工，2007,(01),pp35-38.[25]李丽华，满江涛，变电站综合自动化系统综述，科技信息，2007,(09),pp29-32.[26]张震伟，220kV电力系统继电保护和自动装置的配置原则，科技信息(学术研究)，2007,(08).[27]张照新.变电站综自系统的组成及异常解决，甘肃科技纵横，2007,(01),pp36-38.[28]王飞，刘洪才，潘立冬，分层式结构变电站自动化通信系统研究综述，华北电力大学学报，2007,(01),pp45-47.[29]BILLINTONR,JONNAVITHULAS.Optimalswitchingdeviceplacementinradialdistributionsystems.IEEETransonPowerSystems,1996,11(3):1646-1651.[30]GoswamiSK,BasuSK.Directsolutionofdistributionsystem.IEEProc-C1991，138(1):78-88.[31]BaranME,WuFF.Optimalcapacitorplacementonradialdistributionsystems.IEEETran.PD,1989,4(1):29-73