技术文章

【摘要】在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛;其电能消耗是一笔不小的生产费用开支。国家节能减排政策的制定和执行，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。
   
    一、引言
   
    　　1、电机运行状况
   
    　　电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计和相关资料介绍，我国电动机总装机容量约5.8亿千瓦，占全国总耗电量的60%～70%。其中，交流电动机占90%左右。目前各类电机的运行效率加权平均比国外低3～5个百分点，风机和泵的效率要比发达国家低2%～3%，整体在用的电机驱动系统运行效率比国外低近20%。如果按电动机总容量的10%进行调速改造，按年平均运行4000小时、节电率20%～25%计算，年节电潜力为320亿～400亿千瓦时。加上为改善工艺流程而进行调速改造的电动机可带来的节电潜力，总节电潜力约为500亿千瓦时。相当于10000兆瓦装机容量的火力发电厂的年发电量。电机系统节能是目前中国节能市场上具商业潜力的领域。
   
    　　在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛;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。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。
   
    　　变频调速技术顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。现已在石化、电力、冶金、石油、化工、建材（水泥、玻璃的等）、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。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。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、政策上的规定和措施
   
    　　国家在建设“节约型社会”和节能减排的方针与政策上有相关规定和要求：
   
    　　n 1998年实施、2007年修订的《中华人民共和国节约能源法》;
   
    　　n 国家发改委等部门制定的“节能中长期专项规划”;
   
    　　n 国家发改委“中国节能技术政策大纲”;
   
    　　n 《“十一五”重点节能工程实施意见》等;
   
    　　n 2006年实施《中华人民共和国可再生能源法》等，各地政府相应制定节能规定;
   
    　　n “十一·五”《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》单位GDP能耗5年要降低20%左右
   
    　　n 国家发改委、国家能源办从2006年开始，在钢铁、有色、煤炭、电力、石油石化、化工、建材、纺织、造纸等9个重点耗能行业组织开展千家企业节能行动。通过开展千家企业节能行动，“十一五”期间将实现节能1亿吨标准煤左右）
   
    　　特别是《“十一五”重点节能工程实施意见》中“电机系统节能工程”对电机的改造提出要求：提高电机系统效率：推广变频调速、永磁调速等*电机调速技术，改善风机、泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式。以*的电力电子技术传动方式改造传统的机械传动方式，逐步采用交流调速取代直流调速……“工程”列出了重点改造领域：
   
    　　1）电力：用变频、永磁调速及计算机控制改造风机、水泵系统，重点是20万千瓦以上火力发电机组。
   
    　　2）冶金：鼓风机、除尘风机、冷却水泵、加热炉风机、铸造除鳞水泵等设备的变频、永磁调速。
   
    　　3）有色：除尘系统自动化控制及风机调速。
   
    　　4）煤炭：矿井通风机、排水泵调速改造及计算机控制系统。
   
    　　5）石油、石化、化工：工艺系统流程泵变频调速及自动化控制。
   
    　　6）机电：研发制造节能型电机、电机系统及配套设备。
   
    　　7）轻工：注塑机、液压油泵的变频、永磁调速。
   
    　　8）其他：企业空调和通风、楼宇集中空调的电机系统改造等。
   
    　　3、风机水泵类负载综述
   
    　　通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
   
    　　泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏;还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产和产品质量。
   
    　　风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。
   
    　　近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频器易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点;因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。
   
    　　变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）;通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
   
    二、 普传科技与变频节能产品
   
    　　1、普传科技变频技术产品特点
   
    　　1.1 变频器 的主要功能即为节能和自动控制。自主开发的PI7000系列高性能变频器通过国家发配电及电控设备质量监督检验中心、国家轿车质量监督检验中心的检验和获得辽宁省级科技成果鉴定。
   
   
   
   
    　　产品设计符合国家标准GB/T12668.2-2002：《调速电气传动系统》中“低压交流变频电气传动系统额定值的规定”及GB12668.3-2004：“产品的电磁兼容性标准及其特定的实验方法”。
   
    　　PI7000/7800/7600除具有通用低压变频器的基本功能外，和国内同行业比较，具备下列创新性和*性
   
    　　n 采用32位专用DSP（数字信号处理器）为核心的控制单元，实现高速高性能控制。
   
    　　n 集V/F控制、V/F+PG控制、矢量控制+PG三种控制功能于一体，三种空间电压矢量波形产生方式的变频器
   
    　　n 具有死区补偿功能，实现低频率大输出转矩;自动转差补偿。
   
    　　n 十种频率设定方式，模拟端子可以接受0～10V、0～20mA之内的自定义范围信号。
   
    　　n 六路可编程输出控制端子。
   
    　　n 内置PID功能，可实现高性能闭环速度控制PID调节的直流电流制动。
   
    　　n 转速追踪启动与断电再恢复运行功能。
   
    　　n 强大的通讯功能，支持标准的Rs485与Can Bus，同时提供远控键盘功能。
   
    　　n 界面有好：人性化显示菜单，中文液晶LCD显示，配以LED显示，同时显示3个状态参数。
   
    　　n *的逆变模块（IGBT）温升监控功能，风扇调节可控，适时降低电机噪音和温升。
   
    　　n 高效的故障查询与记录功能，方便排除故障;参数保护功能。
   
    　　n *的设计，使变频器对电源的污染降低。

   
    　　1.2 基于“电机系统工程”电机运行特点开发的设计制造的新一代高品质、多功能电机控制、环保、节能产品-PS7000系列电机环保节能器通过检验和科技成果鉴定。该产品应用*的空间电压矢量PWM控制技术、矢量控制技术，采用高性能的功率模块和*的节能器制造工艺，具有创新性和*性。本产品不同于以往的电机节能器，具有电机无级调速满足工艺和节能的双重效果及对低速、重载的设备控制。专家评语：“该产品技术*，性能指标达到国内，节能及环保效果明显”。综合节电率可达30%，经济效益显著。该项目获2008年国家发改委“资源节约与环境保护”项目。
   
    　　该产品具有下列优异表现：
   
    　　n 具有电机节能和无级调速的双重效用。根据负载特性自动调节电机转速，具有软启动特性，没有启动时的冲击电流与机械震动;
   
    　　n 全程优化设计：可有效降低电机运行噪音和发热、减少电机维护量,延长电机使用寿命的2～4倍，降低维修成本;
   
    　　n 具有市电及节电状态双电路自动转换的不间断供电回路、故障自动报警，不影响正常工作;
   
    　　n 宽电压设计以及转速跟踪功能保障了在电网电压波动频繁的情况下节能器仍能正常工作。
   
    　　n 产品设计安全处理按欧盟“废弃电器与电子设备标准”设计（WEEE）符合欧盟“禁用有害物质RoHS认证”要求。内置输出电抗器、平波电抗器等抑制谐波，降低对电网的污染。
   
    　　n 将低电源输配无功损耗，降低变压器容量需求20%以上;
   
    　　n 有效提高功率因数达95%以上，节能显著，综合节电率可达30%，改善“大马拉小车”的功耗浪费问题;
   
    　　n 保护功能齐全：过电压，欠电压，过电流,电子热过载保护,变频器过热保护，断电再恢复运行,电流限幅，过电压，保险丝断，接地故障，缺相，过载保护，外部故障，通讯错误 ,PID反馈信号异常等。
   
   
   
   
    　　2、应用领域
   
    　　主要应用以下设备的节能和自动化控制：
   
    　　发电厂：水泵、风机
   
    　　油田：注水泵、输油泵、加压泵、磕头机
   
    　　自来水厂：输送水泵、加压水泵
   
    　　煤矿：矿井风机、水泵
   
    　　冶金钢铁：高炉鼓风机、冷却泵、清洗泵、除尘风机、抽烟机、引风机、制革机等
   
    　　石化：风机、水泵、油泵输送系统、除尘风机、锅炉系统
   
    　　纺织化纤：空调系统、送风机、循环水泵、压缩机、冷却水泵、锅炉系统
   
    　　水泥厂：罗茨风机、集尘系统、选粉系统、输料系统等
   
    　　造纸厂：水泵、纸浆泵、锅炉系统
   
    　　食品制药厂：水泵、风机、空气压缩机、空调系统、锅炉系统
   
    　　楼宇中央空调：送风机、循环水泵、压缩主机、冷却水塔、屋顶排风机
   
    三、节能分析与实例
   
   
   
   
    　　通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，
   
    　　其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：
   
    　　Q∝n，H∝n2，P∝n3;即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
   
    　　以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为n0,阀门全开时的管阻特性为r0,额定工况下与之对应的压力为H1,出口流量为Q1。
   
    　　在现场控制中，通常采用水泵定速运行，出口阀门控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向由原来的A点移至B点;受其节流作用压力H1变为H2。水泵轴功率实际值（kW）可由公式：P=Q·H/（ηc·ηb）×103得出。其中，P、Q、H、ηc、ηb分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率，直接传动为1。假设总效率（ηc·ηb）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。
   
    　　如果采用调速手段改变水泵的转速n，当流量从Q1减小50%至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线r0，系统工作点将沿方向II由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。
   
   
   
   
    　　此时，电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。
   
    　　比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。
   
    　　另外，从图中还可以看出：阀门调节时将使系统压力H升高，这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏;而转速调节时，系统压力H将随泵转速n的降低而降低，因此不会对系统产生不良影响。
   
    　　从上面的比较不难得出：当现场对水泵流量的需求从100%降至50%时，采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH3H2所对应的功率大小，节能率在75%以上。
    　　电机转速与节能率的关系表
   
   
   
   
    　　与此相类似的，如果采用变频调速技术改变泵类、风机类设备转速来控制现场压力、温度、水位等其它过程控制参量，同样可以依据系统控制特性绘制出关系曲线得出上述的比较结果。采用变频调速技术改变电机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。
   
    四、节能计算
   
    　　应用实例1
   
    　　江苏某钢铁企业一台IS150-125-400型离心泵为例，额定流量200.16m3/h，扬程50m;配备Y225M-4型电动机，额定功率45kW。泵在阀门调节和转速调节时的流量-负载曲线如下图示。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在90%负荷，13小时运行在50%负荷;全年运行时间在300天。
   
    　　则每年的节电量为：△P1=45×11×（100%-69%）×300=46035kW·h △ P22=45×13×（95%-20%）×300=131625 kW·h
   
    　　△P=△ P2+△ P2=46035+131625=177660 kW·h
   
    　　每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。
   
    　　应用实例2
   
    　　在新型干法水泥生产线中，直接采用变频器或电机环保节能器，则在投入上就采取节能降耗的措施，效果非常明显。
   
    　　大连某水泥制造有限公司3000吨新型干法水泥熟料生产线，采用PS7000系列电机环保节能器共17套
   
   
   
   
    　　按保守预计，节电率25%，年生产300天，每天24小时计算，则节电及节省电费如下（正常工作按额定功率80%）：
   
    　　节电：1559＊80%＊25%＊24=7483（kWh ）/天
   
    　　7483＊30=224,496 （kWh ）/月
   
    　　224,486（kWh ）/月×10月（300天）=2,244,860 （kWh ）/年
   
    　　每度电按0.50元计算，则年节省电费：2,244,860＊0.5=1,1224,30元
   
    　　即年节省电费110万元。
   
   
   
   
    　　应用案例2 立窑供风系统变频改造
   
    　　（1）风机运行情况
   
    　　一般低压立窑风机的调节方式为风门调节法，萝茨风机的供风调节方式为排风调节或回风调节;离心风机的供风调节方式为进风阀门调节。
   
    　　（2）从风机使用的一般性经验可以知道：工频运行状态（AC380V/50Hz）下，用风门（风阀）调节风量的风机在使用过程中的负荷是在15%～100%之间波动;负荷越小风门（风阀）的节流损失就越大，风机效率也就越低。而改为变频调节方式就几乎不存在风门的节流损失，同时变频装置采用软启动方式也不存在启动冲击电流，对于配电容量有限的工厂用电系统，也可提高其安全系数。
   
    　　（3）改造后的变频供风系统是在保留原来供风系统的基础上增加一套变频回路与原回路并联使用，形成双回路可转换的控制系统，并将变频器的调速装置安装在窑的上部位，通过调节电机（风机）的转速来调节烧结时的用风量。其特点：
   
    　　● 节电效果好。改造后电机大部分时间运行在35-43Hz左右即可满足用风量，节电率大于25%;
   
    　　● 具有软启动功能，降低负荷强度，延长设备使用寿命，启动电流小，提高用电安全系数及减少电网容量;
   
    　　● 调节风量精度准确、及时方便;
   
    　　● 关闭回风口或排风口，减少水泥粉尘污染等。
   
    　　大连某水泥有限公司采用普传科技变频改造后的测试结果如表1所示：
   
    　　表1 立窑送风机变频改造节能效果分析表
   
   
   
   
    　　u 水泥选粉系统
   
    　　工作原理是根据所生产的水泥的标号的不同，调节选粉机和选粉风机的转速，从而选出不同细度的水泥制品。表2 选粉风机变频改造节能效果分析表
   
    　　应用案例4：在在大型火电厂直接空冷系统中的应用
   
    　　实现真正意义上的绿色GDP增长，对于需要大量冷却水源的燃煤发电厂，势必要改变其传统的汽轮机排汽冷却方式。直接空冷技术的应用与发展，使得这一需求变为可能，也为变频器在燃煤发电厂空冷机组的推广应用提供广阔的前景。
   
    　　空冷系统建筑规模庞大，一般称为空冷岛。包括凝结水系统（凝结水箱）、真空疏水系统（包括疏水泵）、排气/抽气系统（水环泵单元）、空冷凝汽器（ACC）等四套系统。
   
    　　作为国内电站空冷设备制造的内蒙古自治区某地区2＊300MW火电机组工程直接空冷机组的系统项目。每台机组布置方式为5×6的风机30台，每列4台顺流风机，1台逆流风机，均采用变频控制。每台风机配置一套变频调速装置，共配60台变频调速装置
   
    五、结束语
   
    　　变频系统在各类调速系统中使用时，其节能效果对于单台设备可做到5-75%，在风机水泵类设备的一般应用的节能效果更加明显，这些均值也可做到8-50%，在未受到其他因素的影响的情况下一般可取上限节能效果平均值。这些数据由实际应用中得到，数据可由市场上公开出售的资料（书）查到;通过这些数据再进行一些简单的投资回收率的计算可知：变频节能系统（装置）的投资回收期一般为4-20个月（这是经验值）。风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，投资少、收益快!