风机高压变频调速改造及节能原理



(2007-10-25 14:19:00)
摘要：风机在由定速改造调速运行后，在输出相同流量同时节约大量的能源，了解其原理和计算模型。
英文摘要：The wind pump invariableness running to shift running, keep some flux so economize a great deal energy sources. Realize its elements and reckon mode.
关键词：轴功率；风阻特性

1 引言

在工业生产和产品加工制造业中，风机设备应用范围广泛；其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%~25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。

目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。它的卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

2 风机的参数及特性

2.1 风机的基本参数

(1) 风量Q—单位时间流过风机的空气量(m3/s，m3/min，m3/h)；
(2) 风压H—当空气流过风机时，风机给予每立方米空气的总能量(kg·m)称为风机的全压Ht(kg·m/m3)，其由静压Hs和动压Hd组成。即Ht=Hs+Hd；
(3) 轴功率P—风机工作有效的总功率，又称空气功率；
(4) 效率η—风机轴上的功率P除去损失掉的部分功率后剩下的风机内功率与风机轴上的功率P之比，称为风机的效率。

2.2 风机的相似理论

风机的流量，运行压力，轴功率这三个基本参数与转速间的运算公式极其复杂，同时风机类负荷随环境变化参数也随之变化，在工程中一般根据风机的运行曲线，进行大致的参数运算，称之为风机相似理论：

Q/Qo=n/no
H/Ho=(n/n0o)2(ρ/ρo)
P/P0=(n/no)3(ρ/ρo)

式中：Q—风机流量；
H—风机全压；
n—转速；
ρ—介质密度；
P— 轴功率。

风量Q与电机转速n成正比，Q∝n；风压H与电机转速n的平方成正比，H∝n2；轴功率P与电机转速n的立方成正比，P∝n3。

2.3 电动机容量的计算


式中：P—风机电动机所需的输出轴功率(kW)；
Q—风机风量(m3/s)；
H—风机风压(kg/m2)；
ηr—传动装置的效率，直接传动为1.0，皮带传动为0.9~0.98，齿轮传动为0.96~0.98；
ηF—风机的效率；
102—由kg·m/s变换为kW的单位变换系数。

3 风机调节输出风量的方法

3.1 通过改变风机的管网特性曲线来实现对风机的风量的调节

这种办法是通过调节挡风板的开关程度来实现的，如图1所示。

图1 不同管网的特性曲线风机风量的特性曲线

风机档板开度一定时，风机在管网特性曲线R1工作时，工况点为M1，其风量、风压分别为Q1、H1，其输出流量是Q1。

将风机的挡板关小，管网特性曲线变为R2，工况点移至M2，风量、压力变为Q2、H2，其输出流量是Q2。

将风机的挡板再关小，管网特性曲线变为R3，工况点移至M3，风量、压力变为Q3、H3，其输出流量是Q3。

从上面的曲线分析，通过调速风机档板的开度，管网的特性参数将发生变化，输出流量发生变化，这样就达到了在定速运行时调节风机输出流量的目标。

在调节风机流量的过程中，而风机的性能曲线(H-Q曲线)不变，工况点沿着风机的性能曲线(H-Q曲线)由M1移到M2，特性曲线由R1变为R2，风机输出流量由Q1变为Q2，这种方法结构简单，操作容易。目前多数风机都采用这种方法，但是由于风机的内部压力由H1变为H2，这样，在流量减少的同时，压力同时上升，在档板上消耗了大量的无效轴功率，极大地降低了风机的转换效率，浪费了大量的能源。

3.2 通过改变风机叶片的角度来实现对风机的风量调节

当风机管网性能曲线不变时，通过改变风机叶片的角度，使风机的特性曲线(H-Q曲线)改变，工况点将沿着管网特性曲线移动，达到调节风量的目的。

如图2所示，风机叶片角度为α1时，M1点是原来工况点，其风量、风压分别为Q1、H1；风机叶片角度为α2时，风机性能曲线(H—Q曲线)由α1线变为α2线，与管网特性曲线相交于M2，风量、风压变为Q2、H2；风机叶片角度为α3时，风机性能曲线(H—Q曲线)由α2线变为α3线，与管网特性曲线相交于M3，风量、风压变为Q3、H3。

图2 不同风机叶片的角度时风机风量的特性曲线

在这种调节风量的方法中，管网特性曲线不变，通过风机叶片角度的变化，调节风机性能(H—Q曲线)，从而达到调节风机风量的目的。

这样，在调低流量的同时，风机内部压力也随之下降，具有很好的节电效果。但是这种方法使风机叶轮结构复杂，调节机构磨损较大。同时，调节叶片角度必须停机进行，无法在需要风机进行连续运行、连续调节的场合。

3.3 通过改变风机的转速来实现对风机的风量调节

在风机的管网特性不变，风机叶片角度不变的情况下，改变风机的转速，使风机的特性曲线(H—Q曲线)平行移动，工况点将沿着管网特性曲线移动，达到调节风量的目的。如图3所示。

图3 风机的转速不同时的特性曲线

当风机转速为n1时，风机的风压-风量曲线与管网特性曲线R相交于M1点，其风量、风压分别为Q1、H1；当风机转速为n2时，风机的风压-风量曲线与管网特性曲线R相交于M2点，其风量、风压分别为Q2、H2。

当风机转速降低，流量降低的同时，风机的压力也同时随之降低，这样，在调低流量的同时，风机内部压力也随之下降，具有极好的节电效果。这种方法不必对风机本身进行改造，转速由外部调节，风机档板可处于全开位置保持不变，并能实现无级线性调节风量，适合于需要风机进行连续运行，连续调节的场合。

4 转速与采用档板调节流量消耗功率的差值

采用改变风机转速和改变管网特性进行风量的调节，在调节相同风量时，其风机的特性曲线(H-Q曲线)变化不同，二种调节方法的运行工况点也不同，其运行的对比如图4所示。

图4 风机转速调节与档板调节的特性曲线对比

4.1 在额定流量Q1时

风机档板为额定开度，其管网特性曲线为R1，风机转速为额定转速，其特性曲线为n1，此时风机处于额定出力的状态，转速调节和档板调节的工况点重合，处于M1点，此时两种调节方式的消耗轴功率是相同的。

4.2 在运行中需输出风量Q2时

调节风机转速将风量调为Q2，这时风机的特性曲线(H-Q曲线)平行下移，工况点处于M2点，风机压力变为H2，风压风量同时下降。其消耗的轴功率为：


调节风机档板改变管网特性，将风量调为Q2，这时风机的特性曲线(H-Q曲线)不变，管网特性曲线由R1变化到R2，与n1时的风机特性曲线相交于M3，此时风量为Q2，风压为Hf，在曲线上看出，Hf＞H1，虽然风量下降了，但是风压却上长了，其消耗的轴功率为：


4.3 在输出风量为Q2时，风机在转速调节与档板调节方式下消耗的轴功率差值

（1) 风压变化幅度

速度调节时风压的变化：

H2=H1(n/n0)2(ρ/ρ0 )

档板调节时风压的变化：

Hf＞H1

由于在运行时，用转速调节流量时，H2<
（2) 档板调节与转速调节消耗轴功率的差值：


将H2=H1(n/n0)2(ρ/ρ0 )与Hf≈H1代入上式可得：

△P≈P3 [1-(n/n0)2(ρ/ρ0)]

5 具体事例

湖南华菱涟源钢铁集团田湖公司活性石灰车间，回转石灰窑配套引风机型号为GW-GR168D，额定压力8000Pa，配套电机型号YKK450-2-4，功率500kW，电压为6kV的三相交流异步电动机，风门采用档板调节，正常时回转窑内的负压为100~250Pa，运行档板开度为30%左右。

5.1 工频运行时的测试结果

2005年2月1日—3月2日回转窑引风机工频运行时的测试结果如表1所示：
表1 回转窑引风机工频运行时的测试结果


5.2 变频运行时的测试结果

应用的JZHICON-1A-06/063高压变频器对回转窑风机进行改造后，风机运行于调速状态，6月17日到6月23日变频运行实测数据统计如表2所示。
表2 变频运行实测数据统计


从表2中可以看出，经变频改造后，在满足回转窑负压的情况下，风机电流明显减少，由25A～35A降为11A～23.5A变频器输入电流则降到6A以下，风机平均电耗也由280.32kW降到54.5kW，节电率为80.1%。

5.3 对其它设备的影响

改为变频调节后，对其它设备的影响有：

(1) 避免了电动机启动时对电机的冲击损害及对电网的冲击；
(2) 提高了引风机的自动控制能力；
(3) 减少了引风机和高压除尘器的振动；
(4) 由于转速的降低，对风机的叶轮、轴承等寿命得以延长。

5.4 节能效果

石灰车间回转窑引风机变频调速工况下长时间运行的节能效果：

(1) 引风机运行时间

石灰车间回转窑生产为十二天一个生产周期，十天进行活性石灰生产，二天进行修窑。

(2) 引风机月运转时间

24h×30天×10天/12天=600h

引风机年运转时间：600h×11月=6600h

(3) 变频运行后节电

引风机运行单耗节约量： 280.32kWh-54.5kWh=225.82kWh

2.2 引风机年节约电量

225.82×6600=1490412kWh

(4) 经济效益

石灰车间电价是每花费0.57元/kWh

引风机变频运行每小时节约电费：225.82×0.57=128.72元
引风机变频运行每月节约电费：135492×0.57=77230.44元
引风机变频运行年节约电费：1490412×0.57=849534元

5.5 设备投资回收

JZHICON-1A-06/063高压变频器在引风机上投入运行后，石灰车间回转窑在满负荷生产状况下，引风机每年节约电费达85万元，在一年内即可收回投资成本。

6 结束语

通过以上分析得出，采用转速进行调节风量时，比用档板调节风量时，节约轴功率为额定转速与运行转速平方值乘以档板运行轴功率消耗值。当风量调节幅度越大，节电效果越高。对我国风机现有的运行状况调查，其中大多数处于大马拉小车的状态，用档板进行运行流量的调节，极大的浪费了电能，若采用调速方式运行，可以大量节约电能，并能在1至2年内收回投资成本。