1、風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)速及示范工程節(jié)能分析何 雪 冰摘 要 介紹了風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行特性、變頻調(diào)速的基本概念及其優(yōu)良的節(jié)電性能，最后以一鍋爐房鼓引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速的示范工程為例，分析和實(shí)測(cè)了其節(jié)能效果.關(guān)鍵詞 風(fēng)機(jī)；水泵；變頻調(diào)速；節(jié)能在電能消耗上，風(fēng)機(jī)和水泵負(fù)載占很大的比重.據(jù)有關(guān)資料1介紹，我國(guó)這類(lèi)負(fù)載每年耗電量約占全國(guó)用電量的1/3，占全國(guó)工業(yè)用電量的40 %50 %；在鍋爐房供熱工程中，風(fēng)機(jī)、水泵用電量占全部用電的80 %以上；在全年空調(diào)的現(xiàn)代化旅游飯店、高級(jí)賓館以及辦公大樓中，風(fēng)機(jī)和水泵設(shè)備的用電量占整個(gè)建筑用電量的30 %40 %，約占整個(gè)動(dòng)力用電(即除照明以外的用電)的40 %55 %.

2、大量調(diào)查資料表明，目前風(fēng)機(jī)、水泵在運(yùn)行中普遍存在如下問(wèn)題：(1)設(shè)備老化或設(shè)計(jì)陳舊，風(fēng)機(jī)、水泵本身額定效率低；(2)選型不當(dāng)，富裕量過(guò)大或建設(shè)后期工藝要求改變，實(shí)際工作負(fù)荷遠(yuǎn)離額定負(fù)荷，運(yùn)行效率更低；(3)目前絕大數(shù)仍是以檔板和閥門(mén)作為流量調(diào)節(jié)手段，節(jié)流能量損失大，運(yùn)行效率低；(4)輸送管道設(shè)計(jì)、安裝不合理，管路阻力大以及管理制度不嚴(yán)等.風(fēng)機(jī)、水泵是用電大戶，特別是在暖通空調(diào)工程中，一些風(fēng)機(jī)、水泵常常是在低于額定流量下運(yùn)行，因此搞好風(fēng)機(jī)和水泵的節(jié)能(電)更具有十分重要的意義.1 風(fēng)機(jī)、水泵的運(yùn)行特性由于風(fēng)機(jī)和水泵的電力及運(yùn)行特性極其類(lèi)似，此處以風(fēng)機(jī)為例來(lái)討論其特性.1.1 壓力與流量H=F(Q

3、)表示風(fēng)機(jī)全壓H(包括靜風(fēng)壓和動(dòng)風(fēng)壓)與風(fēng)量Q的關(guān)系2. 風(fēng)機(jī)軸上的功率壓，Pa/m2；F風(fēng)機(jī)效率. ，Q風(fēng)量，m3/min；H全拖動(dòng)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)上的輸出功率中C為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率.1.2 風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即M=9 ，式550；nN額定轉(zhuǎn)速，r/min；PN額定轉(zhuǎn)速時(shí)的軸功率，kW；MN額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩，N.m.當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由nN變化到n時(shí)，風(fēng)量Q，風(fēng)壓H，功率P的變化與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為Q=QN(n/nN)， H=HN(n/nN)2， P=PN(n/nN)3(1)由式(1)可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比.如果需要風(fēng)量下降20

4、 %，可以采用調(diào)速的方法使轉(zhuǎn)速下降20 %，則風(fēng)機(jī)的軸功率將下降到原值的51.2 %；當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少至50 %時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率下降至原值的12.5 %.當(dāng)然，n大幅度下降，風(fēng)機(jī)效率也會(huì)有所下降，實(shí)際需要的軸功率要高于上面的計(jì)算值.即使這樣，節(jié)電量也是相當(dāng)可觀的.因此，風(fēng)機(jī)、水泵采用調(diào)速控制流量是非常有意義的.圖1是幾種調(diào)節(jié)方法的比較.由圖可見(jiàn)，風(fēng)量下降50 %， 用風(fēng)機(jī)出口調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)控制， 風(fēng)機(jī)軸功率只下降15 %， 即為85 %PN；用風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉風(fēng)門(mén)控制，其功率下降45 %，即為55 %PN；在軸流風(fēng)機(jī)上用可變節(jié)距來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)， 軸功率下降75 %， 即25 %PN；用變頻調(diào)速(VVVF)控

5、制時(shí)，軸功率下降85%，即15 %PN，這是由于增加了變頻變壓裝置的損耗，故略比理論值12.5 %多一點(diǎn).圖1 調(diào)節(jié)方法比較2 調(diào)速方式和功率對(duì)于流量變化較大的風(fēng)機(jī)、水泵，由上分析可知，采取調(diào)速的方法改變流量，是節(jié)電的有效方法.流量的調(diào)整方法很多，常用的如變極調(diào)速、二次電阻控制調(diào)速、電磁離合器變速、液力耦合器變速、液壓聯(lián)軸器變速、可控硅串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速(VVVF)等.這些控制方法，各有其特點(diǎn).當(dāng)流量調(diào)節(jié)在90%以上時(shí)，各種調(diào)速方法的效率差不多，應(yīng)選用價(jià)廉的設(shè)備；由于調(diào)速裝置的效率也在90%以上，也可不采用調(diào)速裝置.若流量在60%以下時(shí)，變頻、變極和串級(jí)調(diào)速，效率高，其他控制方法不太適宜.在變

6、頻、變極、串級(jí)三種高效調(diào)速方法中，由于后兩種調(diào)速方式，要改變?cè)须姍C(jī)的定子繞阻極對(duì)數(shù)、原有基礎(chǔ)位置等，不如變頻調(diào)速方法容易采用，而且變極調(diào)速不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速.調(diào)速可以節(jié)能，但節(jié)能的多少，需視調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行工況、運(yùn)行時(shí)間(調(diào)節(jié)與不調(diào)節(jié)流量的時(shí)間比)、流量調(diào)節(jié)范圍的大小而定.在運(yùn)行中，由于流量減少，電動(dòng)機(jī)和調(diào)速裝置的效率也有所下降，但電能的節(jié)約量在增加.衡量風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速節(jié)能效果的大小，主要以節(jié)能率(即節(jié)能功率與額定功率之比)來(lái)反映.需要指出并注意的是，上述這類(lèi)離心機(jī)械設(shè)備的工作特性，雖然都遵守比例定律，但在工程實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)機(jī)和水泵卻存在明顯的不同之處.對(duì)于風(fēng)機(jī)，在絕大數(shù)情況下，系統(tǒng)工作時(shí)，基本

7、特性接近理論值；對(duì)于水泵，在系統(tǒng)工作時(shí)，由于實(shí)際揚(yáng)程的存在，在同樣流量變化時(shí)，調(diào)速泵的節(jié)能效果要低于調(diào)速風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果.因此，在設(shè)計(jì)或選用調(diào)速裝置時(shí)，要考慮上述因素.因調(diào)速控制方法不同，節(jié)能效果也不同，且差異很大.例如流量在80 %時(shí)，采用二次電阻或電磁離合器變速，電耗為63.8 %，節(jié)電率為31.1 %；采用變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速，電耗為55.2 %，節(jié)電率為54.8 %3，且節(jié)電效果隨流量降低而大幅度增加.3 變頻調(diào)速簡(jiǎn)介調(diào)頻變壓調(diào)速器是一種現(xiàn)代化高技術(shù)電力節(jié)能裝置，即所謂VVVF，常稱變頻調(diào)速器.將其應(yīng)用到暖通空調(diào)制冷行業(yè)，能達(dá)到明顯的節(jié)能效果，被稱為80年代暖通制冷空調(diào)的兩大突破之一.其工

8、作過(guò)程及其特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：(1)市電先進(jìn)入變頻器(或經(jīng)整流濾波逆變)，后進(jìn)入電動(dòng)機(jī).由于實(shí)行了軟起動(dòng)，使起動(dòng)頻率、電壓和電流由小到大逐步上升，平滑穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有多大電流沖擊.(2)由溫度或壓力等傳感器感知用戶情況，并變成電信號(hào)輸入變頻器，自行不斷地尋找和選擇并調(diào)整為最佳(節(jié)能)點(diǎn)；實(shí)行微機(jī)閉環(huán)控制，也可設(shè)計(jì)成手動(dòng)開(kāi)環(huán)控制.(3)根據(jù)用戶需要，設(shè)計(jì)系統(tǒng)溫度(或壓力)等運(yùn)行工況的上下限范圍，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，安全準(zhǔn)確地自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)、水泵的工作.(4)當(dāng)溫度等參數(shù)接近達(dá)到設(shè)定值的下限時(shí)，為使降溫(降壓)繼續(xù)下去不停機(jī)(減少啟停次數(shù))，由變頻器開(kāi)始改變輸入電源的電壓、頻率，改變轉(zhuǎn)速減速運(yùn)轉(zhuǎn)，并根據(jù)需要，維

9、持在適當(dāng)?shù)母亩l率和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn).此外，還可根據(jù)需要，手動(dòng)控制轉(zhuǎn)速和流量.變頻調(diào)速比其他調(diào)速方法具有高效、高精度的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，其調(diào)速比一般可達(dá)201，變頻調(diào)速起動(dòng)能耗小、壽命長(zhǎng)、可靠性高，晶體管電子元、器件高度集成化，幾乎無(wú)須維修；占地面積小、無(wú)噪聲，沒(méi)有機(jī)械換向器，經(jīng)濟(jì)性好；可采用現(xiàn)代微電子技術(shù)的微機(jī)控制，并可遙控，一機(jī)多控；保護(hù)功能多，節(jié)能率高，收回投資快.技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家70年代末80年代初已廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)，在日本近80 %有調(diào)速要求的電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用了這種控制方法.國(guó)內(nèi)80年代開(kāi)始采用，并把變頻調(diào)速技術(shù)列入“八五”規(guī)劃，北京電機(jī)總廠、大連電機(jī)廠變換器分廠等已引進(jìn)三菱、東芝

10、等公司技術(shù)，批量生產(chǎn)1.590 kW的變頻調(diào)速器，預(yù)計(jì)今后應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛.4 示范工程節(jié)能分析烏魯木齊市光明路供熱鍋爐站2#鍋爐為DHL-2500-16/150-A型熱水鍋爐，額定供熱量29 000 kW)，熱水出口溫度150 ，回水溫度90 ，鍋爐效率0.80.鍋爐總額定耗電功率560 kW，采用烏市煙煤，其應(yīng)用基低位發(fā)熱量29 442 kJ/kg，額定燃料消耗量4 440 kg/h.與鍋爐匹配的引風(fēng)機(jī)為Y4-73-11型18D，風(fēng)量Q=19104 m3/h(3 167 m3/min)，全壓H=2 646 Pa，電機(jī)220 kW，風(fēng)機(jī)效率F=0.70；鼓風(fēng)機(jī)為G4-73-11型14D，Q=

11、74 600 m3/h(1 243 m3/min)，H=2 757 Pa，風(fēng)機(jī)效率F=0.80，電機(jī)75 kW.鼓引風(fēng)機(jī)耗電295 kW，占該鍋爐總耗電的50.7 %.該鍋爐鼓引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速器控制，變頻器選用日本三菱MT-140A-75K和MT-140A-220K各1臺(tái)，總投資37.28萬(wàn)元，其中2臺(tái)變頻器33萬(wàn)元，1992年設(shè)計(jì)施工，1993年底投入使用，作者于1994年3月進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試.(1)測(cè)試用儀表.溫度0150 水銀溫度計(jì)，刻度0.5 ；流3量旋翼式水表，0.0452 800 m/h，精度2.0級(jí)；電流、電度表常規(guī)工業(yè)用，精度2.0級(jí).(2)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.表1 對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)表

12、(3)數(shù)據(jù)分析： 鍋爐運(yùn)行熱負(fù)荷無(wú)變頻調(diào)速運(yùn)行：運(yùn)行熱負(fù)荷Q=M.cpt=421.5984.3(84-51.7)115 581 kW. 有變頻調(diào)速運(yùn)行：運(yùn)行熱負(fù)荷Q=Mcpt=432.5966.2(93-63.4)1=14 419 kW. 鼓風(fēng)和引風(fēng)機(jī)單位小時(shí)耗電量無(wú)變頻調(diào)速運(yùn)行N=58+140=198kW.h，有變頻調(diào)速運(yùn)行N=26+60=86 kW.h每1106 W鍋爐熱負(fù)荷鼓風(fēng)和引風(fēng)機(jī)的耗電量無(wú)變頻=198/15.581=12.71 kW.h，有變頻=86/14.419=5.96 kW.h 每1106 W鍋爐熱負(fù)荷節(jié)電12.71-5.96=6.75 kW.h，即節(jié)電53.1 %.由上述測(cè)試結(jié)果表明，采用變頻調(diào)速，節(jié)電是相當(dāng)顯著的. 5 結(jié) 語(yǔ)風(fēng)機(jī)、水泵耗電是全國(guó)用電大戶，根據(jù)其運(yùn)行特性，變頻調(diào)速是目前最優(yōu)良的一種調(diào)節(jié)方法.工程實(shí)測(cè)證明，采用變頻調(diào)速收到了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，增加的投資一年半內(nèi)即可收回.