1 引言
在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中,風機設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛;其電能消耗和諸如閥門、擋板相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護、維修費用占到生產(chǎn)成本的7%~25%,是一筆不小的生產(chǎn)費用開支。隨著經(jīng)濟改革的不斷深入,市場競爭的不斷加劇;節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一。
目前,變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。它的卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果,改善現(xiàn)有設(shè)備的運行工況,提高系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用率,延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大而得到充分的體現(xiàn)。
2 風機的參數(shù)及特性
2.1 風機的基本參數(shù)
(1) 風量Q—單位時間流過風機的空氣量(m3/s,m3/min,m3/h);
(2) 風壓H—當空氣流過風機時,風機給予每立方米空氣的總能量(kg·m)稱為風機的全壓Ht(kg·m/m3),其由靜壓Hs和動壓Hd組成。即Ht=Hs+Hd;
(3) 軸功率P—風機工作有效的總功率,又稱空氣功率;
(4) 效率η—風機軸上的功率P除去損失掉的部分功率后剩下的風機內(nèi)功率與風機軸上的功率P之比,稱為風機的效率。
2.2 風機的相似理論
風機的流量,運行壓力,軸功率這三個基本參數(shù)與轉(zhuǎn)速間的運算公式極其復雜,同時風機類負荷隨環(huán)境變化參數(shù)也隨之變化,在工程中一般根據(jù)風機的運行曲線,進行大致的參數(shù)運算,稱之為風機相似理論:
Q/Qo=n/no
H/Ho=(n/n0o)2(ρ/ρo)
P/P0=(n/no)3(ρ/ρo)
式中:Q—風機流量;
H—風機全壓;
n—轉(zhuǎn)速;
ρ—介質(zhì)密度;
P— 軸功率。
風量Q與電機轉(zhuǎn)速n成正比,Q∝n;風壓H與電機轉(zhuǎn)速n的平方成正比,H∝n2;軸功率P與電機轉(zhuǎn)速n的立方成正比,P∝n3。
2.3 電動機容量的計算
式中:P—風機電動機所需的輸出軸功率(kW);
Q—風機風量(m3/s);
H—風機風壓(kg/m2);
ηr—傳動裝置的效率,直接傳動為1.0,皮帶傳動為0.9~0.98,齒輪傳動為0.96~0.98;
ηF—風機的效率;
102—由kg·m/s變換為kW的單位變換系數(shù)。
3 風機調(diào)節(jié)輸出風量的方法
3.1 通過改變風機的管網(wǎng)特性曲線來實現(xiàn)對風機的風量的調(diào)節(jié)
這種辦法是通過調(diào)節(jié)擋風板的開關(guān)程度來實現(xiàn)的,如圖1所示。
圖1 不同管網(wǎng)的特性曲線風機風量的特性曲線
風機檔板開度一定時,風機在管網(wǎng)特性曲線R1工作時,工況點為M1,其風量、風壓分別為Q1、H1,其輸出流量是Q1。
將風機的擋板關(guān)小,管網(wǎng)特性曲線變?yōu)镽2,工況點移至M2,風量、壓力變?yōu)镼2、H2,其輸出流量是Q2。
將風機的擋板再關(guān)小,管網(wǎng)特性曲線變?yōu)镽3,工況點移至M3,風量、壓力變?yōu)镼3、H3,其輸出流量是Q3。
從上面的曲線分析,通過調(diào)速風機檔板的開度,管網(wǎng)的特性參數(shù)將發(fā)生變化,輸出流量發(fā)生變化,這樣就達到了在定速運行時調(diào)節(jié)風機輸出流量的目標。
在調(diào)節(jié)風機流量的過程中,而風機的性能曲線(H-Q曲線)不變,工況點沿著風機的性能曲線(H-Q曲線)由M1移到M2,特性曲線由R1變?yōu)镽2,風機輸出流量由Q1變?yōu)镼2,這種方法結(jié)構(gòu)簡單,操作容易。目前多數(shù)風機都采用這種方法,但是由于風機的內(nèi)部壓力由H1變?yōu)镠2,這樣,在流量減少的同時,壓力同時上升,在檔板上消耗了大量的無效軸功率,極大地降低了風機的轉(zhuǎn)換效率,浪費了大量的能源。
3.2 通過改變風機葉片的角度來實現(xiàn)對風機的風量調(diào)節(jié)
當風機管網(wǎng)性能曲線不變時,通過改變風機葉片的角度,使風機的特性曲線(H-Q曲線)改變,工況點將沿著管網(wǎng)特性曲線移動,達到調(diào)節(jié)風量的目的。
如圖2所示,風機葉片角度為α1時,M1點是原來工況點,其風量、風壓分別為Q1、H1;風機葉片角度為α2時,風機性能曲線(H—Q曲線)由α1線變?yōu)棣?線,與管網(wǎng)特性曲線相交于M2,風量、風壓變?yōu)镼2、H2;風機葉片角度為α3時,風機性能曲線(H—Q曲線)由α2線變?yōu)棣?線,與管網(wǎng)特性曲線相交于M3,風量、風壓變?yōu)镼3、H3。
圖2 不同風機葉片的角度時風機風量的特性曲線
在這種調(diào)節(jié)風量的方法中,管網(wǎng)特性曲線不變,通過風機葉片角度的變化,調(diào)節(jié)風機性能(H—Q曲線),從而達到調(diào)節(jié)風機風量的目的。
這樣,在調(diào)低流量的同時,風機內(nèi)部壓力也隨之下降,具有很好的節(jié)電效果。但是這種方法使風機葉輪結(jié)構(gòu)復雜,調(diào)節(jié)機構(gòu)磨損較大。同時,調(diào)節(jié)葉片角度必須停機進行,無法在需要風機進行連續(xù)運行、連續(xù)調(diào)節(jié)的場合。
3.3 通過改變風機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對風機的風量調(diào)節(jié)
在風機的管網(wǎng)特性不變,風機葉片角度不變的情況下,改變風機的轉(zhuǎn)速,使風機的特性曲線(H—Q曲線)平行移動,工況點將沿著管網(wǎng)特性曲線移動,達到調(diào)節(jié)風量的目的。如圖3所示。
圖3 風機的轉(zhuǎn)速不同時的特性曲線
當風機轉(zhuǎn)速為n1時,風機的風壓-風量曲線與管網(wǎng)特性曲線R相交于M1點,其風量、風壓分別為Q1、H1;當風機轉(zhuǎn)速為n2時,風機的風壓-風量曲線與管網(wǎng)特性曲線R相交于M2點,其風量、風壓分別為Q2、H2。
當風機轉(zhuǎn)速降低,流量降低的同時,風機的壓力也同時隨之降低,這樣,在調(diào)低流量的同時,風機內(nèi)部壓力也隨之下降,具有極好的節(jié)電效果。這種方法不必對風機本身進行改造,轉(zhuǎn)速由外部調(diào)節(jié),風機檔板可處于全開位置保持不變,并能實現(xiàn)無級線性調(diào)節(jié)風量,適合于需要風機進行連續(xù)運行,連續(xù)調(diào)節(jié)的場合。
4 轉(zhuǎn)速與采用檔板調(diào)節(jié)流量消耗功率的差值
采用改變風機轉(zhuǎn)速和改變管網(wǎng)特性進行風量的調(diào)節(jié),在調(diào)節(jié)相同風量時,其風機的特性曲線(H-Q曲線)變化不同,二種調(diào)節(jié)方法的運行工況點也不同,其運行的對比如圖4所示。
圖4 風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與檔板調(diào)節(jié)的特性曲線對比
4.1 在額定流量Q1時
風機檔板為額定開度,其管網(wǎng)特性曲線為R1,風機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速,其特性曲線為n1,此時風機處于額定出力的狀態(tài),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和檔板調(diào)節(jié)的工況點重合,處于M1點,此時兩種調(diào)節(jié)方式的消耗軸功率是相同的。
4.2 在運行中需輸出風量Q2時
調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速將風量調(diào)為Q2,這時風機的特性曲線(H-Q曲線)平行下移,工況點處于M2點,風機壓力變?yōu)镠2,風壓風量同時下降。其消耗的軸功率為:
調(diào)節(jié)風機檔板改變管網(wǎng)特性,將風量調(diào)為Q2,這時風機的特性曲線(H-Q曲線)不變,管網(wǎng)特性曲線由R1變化到R2,與n1時的風機特性曲線相交于M3,此時風量為Q2,風壓為Hf,在曲線上看出,Hf>H1,雖然風量下降了,但是風壓卻上長了,其消耗的軸功率為:
4.3 在輸出風量為Q2時,風機在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與檔板調(diào)節(jié)方式下消耗的軸功率差值
(1) 風壓變化幅度
速度調(diào)節(jié)時風壓的變化:
H2=H1(n/n0)2(ρ/ρ0 )
檔板調(diào)節(jié)時風壓的變化:
Hf>H1
由于在運行時,用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量時,H2<
(2) 檔板調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)消耗軸功率的差值:
將H2=H1(n/n0)2(ρ/ρ0 )與Hf≈H1代入上式可得:
△P≈P3 [1-(n/n0)2(ρ/ρ0)]
5 具體事例
湖南華菱漣源鋼鐵集團田湖公司活性石灰車間,回轉(zhuǎn)石灰窯配套引風機型號為GW-GR168D,額定壓力8000Pa,配套電機型號YKK450-2-4,功率500kW,電壓為6kV的三相交流異步電動機,風門采用檔板調(diào)節(jié),正常時回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的負壓為100~250Pa,運行檔板開度為30%左右。
5.1 工頻運行時的測試結(jié)果
2005年2月1日—3月2日回轉(zhuǎn)窯引風機工頻運行時的測試結(jié)果如表1所示:
表1 回轉(zhuǎn)窯引風機工頻運行時的測試結(jié)果
5.2 變頻運行時的測試結(jié)果
應(yīng)用的JZHICON-1A-06/063高壓變頻器對回轉(zhuǎn)窯風機進行改造后,風機運行于調(diào)速狀態(tài),6月17日到6月23日變頻運行實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。
表2 變頻運行實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計
從表2中可以看出,經(jīng)變頻改造后,在滿足回轉(zhuǎn)窯負壓的情況下,風機電流明顯減少,由25A~35A降為11A~23.5A變頻器輸入電流則降到6A以下,風機平均電耗也由280.32kW降到54.5kW,節(jié)電率為80.1%。
5.3 對其它設(shè)備的影響
改為變頻調(diào)節(jié)后,對其它設(shè)備的影響有:
(1) 避免了電動機啟動時對電機的沖擊損害及對電網(wǎng)的沖擊;
(2) 提高了引風機的自動控制能力;
(3) 減少了引風機和高壓除塵器的振動;
(4) 由于轉(zhuǎn)速的降低,對風機的葉輪、軸承等壽命得以延長。
5.4 節(jié)能效果
石灰車間回轉(zhuǎn)窯引風機變頻調(diào)速工況下長時間運行的節(jié)能效果:
(1) 引風機運行時間
石灰車間回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)為十二天一個生產(chǎn)周期,十天進行活性石灰生產(chǎn),二天進行修窯。
(2) 引風機月運轉(zhuǎn)時間
24h×30天×10天/12天=600h
引風機年運轉(zhuǎn)時間:600h×11月=6600h
(3) 變頻運行后節(jié)電
引風機運行單耗節(jié)約量: 280.32kWh-54.5kWh=225.82kWh
2.2 引風機年節(jié)約電量
225.82×6600=1490412kWh
(4) 經(jīng)濟效益
石灰車間電價是每花費0.57元/kWh
引風機變頻運行每小時節(jié)約電費:225.82×0.57=128.72元
引風機變頻運行每月節(jié)約電費:135492×0.57=77230.44元
引風機變頻運行年節(jié)約電費:1490412×0.57=849534元
5.5 設(shè)備投資回收
JZHICON-1A-06/063高壓變頻器在引風機上投入運行后,石灰車間回轉(zhuǎn)窯在滿負荷生產(chǎn)狀況下,引風機每年節(jié)約電費達85萬元,在一年內(nèi)即可收回投資成本。
6 結(jié)束語
通過以上分析得出,采用轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)風量時,比用檔板調(diào)節(jié)風量時,節(jié)約軸功率為額定轉(zhuǎn)速與運行轉(zhuǎn)速平方值乘以檔板運行軸功率消耗值。當風量調(diào)節(jié)幅度越大,節(jié)電效果越高。對我國風機現(xiàn)有的運行狀況調(diào)查,其中大多數(shù)處于大馬拉小車的狀態(tài),用檔板進行運行流量的調(diào)節(jié),極大的浪費了電能,若采用調(diào)速方式運行,可以大量節(jié)約電能,并能在1至2年內(nèi)收回投資成本。