风机、水泵变频调速及示范工程节能分析

1、风机、水泵变频调速及示范工程节能分析何 雪 冰摘 要 介绍了风机和水泵的运行特性、变频调速的基本概念及其优良的节电性能，最后以一锅炉房鼓引风机采用变频调速的示范工程为例，分析和实测了其节能效果.关键词 风机；水泵；变频调速；节能在电能消耗上，风机和水泵负载占很大的比重.据有关资料1介绍，我国这类负载每年耗电量约占全国用电量的1/3，占全国工业用电量的40 %50 %；在锅炉房供热工程中，风机、水泵用电量占全部用电的80 %以上；在全年空调的现代化旅游饭店、高级宾馆以及办公大楼中，风机和水泵设备的用电量占整个建筑用电量的30 %40 %，约占整个动力用电(即除照明以外的用电)的40 %55 %.

2、大量调查资料表明，目前风机、水泵在运行中普遍存在如下问题：(1)设备老化或设计陈旧，风机、水泵本身额定效率低；(2)选型不当，富裕量过大或建设后期工艺要求改变，实际工作负荷远离额定负荷，运行效率更低；(3)目前绝大数仍是以档板和阀门作为流量调节手段，节流能量损失大，运行效率低；(4)输送管道设计、安装不合理，管路阻力大以及管理制度不严等.风机、水泵是用电大户，特别是在暖通空调工程中，一些风机、水泵常常是在低于额定流量下运行，因此搞好风机和水泵的节能(电)更具有十分重要的意义.1 风机、水泵的运行特性由于风机和水泵的电力及运行特性极其类似，此处以风机为例来讨论其特性.1.1 压力与流量H=F(Q

3、)表示风机全压H(包括静风压和动风压)与风量Q的关系2. 风机轴上的功率压，Pa/m2；F风机效率. ，Q风量，m3/min；H全拖动风机的电动机上的输出功率中C为传动机构的传动效率.1.2 风机的转矩风机的转矩M与转速n的平方成正比，即M=9 ，式550；nN额定转速，r/min；PN额定转速时的轴功率，kW；MN额定转速时的转矩，N.m.当风机的转速由nN变化到n时，风量Q，风压H，功率P的变化与转速n的关系为Q=QN(n/nN)， H=HN(n/nN)2， P=PN(n/nN)3(1)由式(1)可知，风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比.如果需要风量下降20

4、 %，可以采用调速的方法使转速下降20 %，则风机的轴功率将下降到原值的51.2 %；当风机风量减少至50 %时，风机的轴功率下降至原值的12.5 %.当然，n大幅度下降，风机效率也会有所下降，实际需要的轴功率要高于上面的计算值.即使这样，节电量也是相当可观的.因此，风机、水泵采用调速控制流量是非常有意义的.图1是几种调节方法的比较.由图可见，风量下降50 %， 用风机出口调节风门控制， 风机轴功率只下降15 %， 即为85 %PN；用风机入口导叶风门控制，其功率下降45 %，即为55 %PN；在轴流风机上用可变节距来调节风量时， 轴功率下降75 %， 即25 %PN；用变频调速(VVVF)控

5、制时，轴功率下降85%，即15 %PN，这是由于增加了变频变压装置的损耗，故略比理论值12.5 %多一点.图1 调节方法比较2 调速方式和功率对于流量变化较大的风机、水泵，由上分析可知，采取调速的方法改变流量，是节电的有效方法.流量的调整方法很多，常用的如变极调速、二次电阻控制调速、电磁离合器变速、液力耦合器变速、液压联轴器变速、可控硅串级调速、变频调速(VVVF)等.这些控制方法，各有其特点.当流量调节在90%以上时，各种调速方法的效率差不多，应选用价廉的设备；由于调速装置的效率也在90%以上，也可不采用调速装置.若流量在60%以下时，变频、变极和串级调速，效率高，其他控制方法不太适宜.在变

6、频、变极、串级三种高效调速方法中，由于后两种调速方式，要改变原有电机的定子绕阻极对数、原有基础位置等，不如变频调速方法容易采用，而且变极调速不能实现无级调速.调速可以节能，但节能的多少，需视调速系统的运行工况、运行时间(调节与不调节流量的时间比)、流量调节范围的大小而定.在运行中，由于流量减少，电动机和调速装置的效率也有所下降，但电能的节约量在增加.衡量风机、水泵调速节能效果的大小，主要以节能率(即节能功率与额定功率之比)来反映.需要指出并注意的是，上述这类离心机械设备的工作特性，虽然都遵守比例定律，但在工程实际应用中，风机和水泵却存在明显的不同之处.对于风机，在绝大数情况下，系统工作时，基本

7、特性接近理论值；对于水泵，在系统工作时，由于实际扬程的存在，在同样流量变化时，调速泵的节能效果要低于调速风机的节能效果.因此，在设计或选用调速装置时，要考虑上述因素.因调速控制方法不同，节能效果也不同，且差异很大.例如流量在80 %时，采用二次电阻或电磁离合器变速，电耗为63.8 %，节电率为31.1 %；采用变频调速和串级调速，电耗为55.2 %，节电率为54.8 %3，且节电效果随流量降低而大幅度增加.3 变频调速简介调频变压调速器是一种现代化高技术电力节能装置，即所谓VVVF，常称变频调速器.将其应用到暖通空调制冷行业，能达到明显的节能效果，被称为80年代暖通制冷空调的两大突破之一.其工

8、作过程及其特点简述如下：(1)市电先进入变频器(或经整流滤波逆变)，后进入电动机.由于实行了软起动，使起动频率、电压和电流由小到大逐步上升，平滑稳定，对电网没有多大电流冲击.(2)由温度或压力等传感器感知用户情况，并变成电信号输入变频器，自行不断地寻找和选择并调整为最佳(节能)点；实行微机闭环控制，也可设计成手动开环控制.(3)根据用户需要，设计系统温度(或压力)等运行工况的上下限范围，在设计范围内，安全准确地自动控制风机、水泵的工作.(4)当温度等参数接近达到设定值的下限时，为使降温(降压)继续下去不停机(减少启停次数)，由变频器开始改变输入电源的电压、频率，改变转速减速运转，并根据需要，维

9、持在适当的改定频率和转速范围内运转.此外，还可根据需要，手动控制转速和流量.变频调速比其他调速方法具有高效、高精度的优点，能实现无级调速，其调速比一般可达201，变频调速起动能耗小、寿命长、可靠性高，晶体管电子元、器件高度集成化，几乎无须维修；占地面积小、无噪声，没有机械换向器，经济性好；可采用现代微电子技术的微机控制，并可遥控，一机多控；保护功能多，节能率高，收回投资快.技术发达国家70年代末80年代初已广泛采用变频调速技术，在日本近80 %有调速要求的电力驱动设备采用了这种控制方法.国内80年代开始采用，并把变频调速技术列入“八五”规划，北京电机总厂、大连电机厂变换器分厂等已引进三菱、东芝

10、等公司技术，批量生产1.590 kW的变频调速器，预计今后应用会越来越广泛.4 示范工程节能分析乌鲁木齐市光明路供热锅炉站2#锅炉为DHL-2500-16/150-A型热水锅炉，额定供热量29 000 kW)，热水出口温度150 ，回水温度90 ，锅炉效率0.80.锅炉总额定耗电功率560 kW，采用乌市烟煤，其应用基低位发热量29 442 kJ/kg，额定燃料消耗量4 440 kg/h.与锅炉匹配的引风机为Y4-73-11型18D，风量Q=19104 m3/h(3 167 m3/min)，全压H=2 646 Pa，电机220 kW，风机效率F=0.70；鼓风机为G4-73-11型14D，Q=

11、74 600 m3/h(1 243 m3/min)，H=2 757 Pa，风机效率F=0.80，电机75 kW.鼓引风机耗电295 kW，占该锅炉总耗电的50.7 %.该锅炉鼓引风机采用变频调速器控制，变频器选用日本三菱MT-140A-75K和MT-140A-220K各1台，总投资37.28万元，其中2台变频器33万元，1992年设计施工，1993年底投入使用，作者于1994年3月进行了对比测试.(1)测试用仪表.温度0150 水银温度计，刻度0.5 ；流3量旋翼式水表，0.0452 800 m/h，精度2.0级；电流、电度表常规工业用，精度2.0级.(2)测试数据见表1.表1 对比测试数据表

12、(3)数据分析： 锅炉运行热负荷无变频调速运行：运行热负荷Q=M.cpt=421.5984.3(84-51.7)115 581 kW. 有变频调速运行：运行热负荷Q=Mcpt=432.5966.2(93-63.4)1=14 419 kW. 鼓风和引风机单位小时耗电量无变频调速运行N=58+140=198kW.h，有变频调速运行N=26+60=86 kW.h每1106 W锅炉热负荷鼓风和引风机的耗电量无变频=198/15.581=12.71 kW.h，有变频=86/14.419=5.96 kW.h 每1106 W锅炉热负荷节电12.71-5.96=6.75 kW.h，即节电53.1 %.由上述测试结果表明，采用变频调速，节电是相当显著的. 5 结 语风机、水泵耗电是全国用电大户，根据其运行特性，变频调速是目前最优良的一种调节方法.工程实测证明，采用变频调速收到了明显的经济效益，增加的投资一年半内即可收回.