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普傳科技在風機水泵類負載的節(jié)能實踐
【摘要】在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中,，風機,、泵類設備應用范圍廣泛;其電能消耗是一筆不小的生產(chǎn)費用開支,。國家節(jié)能減排政策的制定和執(zhí)行,，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,。
一,、引言
1、電機運行狀況
電機是一種應用量大,、使用范圍廣的高耗能動力設備,。據(jù)統(tǒng)計和相關資料介紹，我國電動機總裝機容量約5.8億千瓦,，占全國總耗電量的60%～70%,。其中，交流電動機占90%左右,。目前各類電機的運行效率加權平均比國外低3～5個百分點,，風機和泵的效率要比發(fā)達國家低2%～3%，整體在用的電機驅(qū)動系統(tǒng)運行效率比國外低近20%,。如果按電動機總?cè)萘康?0%進行調(diào)速改造,，按年平均運行4000小時、節(jié)電率20%～25%計算,，年節(jié)電潛力為320億～400億千瓦時,。加上為改善工藝流程而進行調(diào)速改造的電動機可帶來的節(jié)電潛力，總節(jié)電潛力約為500億千瓦時,。相當于10000兆瓦裝機容量的火力發(fā)電廠的年發(fā)電量,。電機系統(tǒng)節(jié)能是目前中國節(jié)能市場上具商業(yè)潛力的領域。
在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中,，風機,、泵類設備應用范圍廣泛;其電能消耗和諸如閥門,、擋板相關設備的節(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,。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,。
變頻調(diào)速技術順應了工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展的要求,，開創(chuàng)了一個全新的智能電機時代。一改普通電動機只能以定速方式運行的陳舊模式,，使得電動機及其拖動負載在無須任何改動的情況下即可以按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出,，從而降低電機功耗達到系統(tǒng)高效運行的目的。現(xiàn)已在石化,、電力,、冶金、石油,、化工,、建材（水泥、玻璃的等）,、造紙,、食品、紡織等多種行業(yè)的電機傳動設備中得到實際應用,。目前,，變頻調(diào)速技術已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動技術的一個主要發(fā)展方向。的調(diào)速性能,、顯著的節(jié)電效果，改善現(xiàn)有設備的運行工況,，提高系統(tǒng)的安全可靠性和設備利用率,，延長設備使用壽命等優(yōu)點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現(xiàn)。
2,、政策上的規(guī)定和措施
國家在建設“節(jié)約型社會”和節(jié)能減排的方針與政策上有相關規(guī)定和要求：
n 1998年實施,、2007年修訂的《中華人民共和國節(jié)約能源法》;
n 國家發(fā)改委等部門制定的“節(jié)能中長期專項規(guī)劃”;
n 國家發(fā)改委“中國節(jié)能技術政策大綱”;
n 《“十一五”重點節(jié)能工程實施意見》等;
n 2006年實施《中華人民共和國可再生能源法》等，各地政府相應制定節(jié)能規(guī)定;
n “十一·五”《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》單位GDP能耗5年要降低20%左右
n 國家發(fā)改委,、國家能源辦從2006年開始,，在鋼鐵、有色,、煤炭,、電力、石油石化,、化工,、建材,、紡織、造紙等9個重點耗能行業(yè)組織開展千家企業(yè)節(jié)能行動,。通過開展千家企業(yè)節(jié)能行動,，“十一五”期間將實現(xiàn)節(jié)能1億噸標準煤左右）
特別是《“十一五”重點節(jié)能工程實施意見》中“電機系統(tǒng)節(jié)能工程”對電機的改造提出要求：提高電機系統(tǒng)效率：推廣變頻調(diào)速、永磁調(diào)速等*電機調(diào)速技術,，改善風機,、泵類電機系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板,、閥門等機械節(jié)流調(diào)節(jié)方式,。以*的電力電子技術傳動方式改造傳統(tǒng)的機械傳動方式，逐步采用交流調(diào)速取代直流調(diào)速……“工程”列出了重點改造領域：
1）電力：用變頻,、永磁調(diào)速及計算機控制改造風機,、水泵系統(tǒng)，重點是20萬千瓦以上火力發(fā)電機組,。
2）冶金：鼓風機,、除塵風機、冷卻水泵,、加熱爐風機,、鑄造除鱗水泵等設備的變頻、永磁調(diào)速,。
3）有色：除塵系統(tǒng)自動化控制及風機調(diào)速,。
4）煤炭：礦井通風機、排水泵調(diào)速改造及計算機控制系統(tǒng),。
5）石油,、石化、化工：工藝系統(tǒng)流程泵變頻調(diào)速及自動化控制,。
6）機電：研發(fā)制造節(jié)能型電機,、電機系統(tǒng)及配套設備。
7）輕工：注塑機,、液壓油泵的變頻,、永磁調(diào)速。
8）其他：企業(yè)空調(diào)和通風,、樓宇集中空調(diào)的電機系統(tǒng)改造等,。
3、風機水泵類負載綜述
通常在工業(yè)生產(chǎn),、產(chǎn)品加工制造業(yè)中風機設備主要用于鍋爐燃燒系統(tǒng),、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等場合,，根據(jù)生產(chǎn)需要對爐膛壓力,、風速、風量,、溫度等指標進行控制和調(diào)節(jié)以適應工藝要求和運行工況,。控制手段則是調(diào)節(jié)風門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象,。這樣,，不論生產(chǎn)的需求大小，風機都要全速運轉(zhuǎn),，而運行工況的變化則使得能量以風門,、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過程中,，不僅控制精度受到限制,，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產(chǎn)成本增加,，設備使用壽命縮短,，設備維護、維修費用高居不下,。
泵類設備在生產(chǎn)領域同樣有著廣闊的應用空間,，提水泵站、水池儲罐給排系統(tǒng),、工業(yè)水（油）循環(huán)系統(tǒng),、熱交換系統(tǒng)均使用離心泵、軸流泵,、齒輪泵,、柱塞泵等設備。而且,，根據(jù)不同的生產(chǎn)需求往往采用調(diào)整閥,、回流閥、截止閥等節(jié)流設備進行流量,、壓力、水位等信號的控制,。這樣,，不僅造成大量的能源浪費，管路,、閥門等密封性能的破壞;還加速了泵腔,、閥體的磨損和汽蝕，嚴重時損壞設備、影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量,。
風機,、泵類設備多數(shù)采用異步電動機直接驅(qū)動的方式運行，存在啟動電流大,、機械沖擊,、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備使用壽命,，而且當負載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設備,，時常出現(xiàn)泵損壞同時電機也被燒毀的現(xiàn)象。
近年來,，出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求,，加之采用變頻器易操作、免維護,、控制精度高,，并可以實現(xiàn)高功能化等特點;因而采用變頻器驅(qū)動的方案開始逐步取代風門、擋板,、閥門的控制方案,。
變頻調(diào)速技術的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60f（1-s）/p，（式中n,、f,、s、p分別表示轉(zhuǎn)速,、輸入頻率,、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）;通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的,。
二,、 普傳科技與變頻節(jié)能產(chǎn)品
1、普傳科技變頻技術產(chǎn)品特點
1.1 變頻器 的主要功能即為節(jié)能和自動控制,。自主開發(fā)的PI7000系列高性能變頻器通過國家發(fā)配電及電控設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,、國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的檢驗和獲得遼寧省級科技成果鑒定。
產(chǎn)品設計符合國家標準GB/T12668.2-2002：《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)》中“低壓交流變頻電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定”及GB12668.3-2004：“產(chǎn)品的電磁兼容性標準及其特定的實驗方法”,。
PI7000/7800/7600除具有通用低壓變頻器的基本功能外,，和國內(nèi)同行業(yè)比較，具備下列創(chuàng)新性和*性
n 采用32位專用DSP（數(shù)字信號處理器）為核心的控制單元,，實現(xiàn)高速高性能控制,。
n 集V/F控制、V/F+PG控制,、矢量控制+PG三種控制功能于一體,，三種空間電壓矢量波形產(chǎn)生方式的變頻器
n 具有死區(qū)補償功能,，實現(xiàn)低頻率大輸出轉(zhuǎn)矩;自動轉(zhuǎn)差補償。
n 十種頻率設定方式,，模擬端子可以接受0～10V,、0～20mA之內(nèi)的自定義范圍信號。
n 六路可編程輸出控制端子,。
n 內(nèi)置PID功能,，可實現(xiàn)高性能閉環(huán)速度控制PID調(diào)節(jié)的直流電流制動。
n 轉(zhuǎn)速追蹤啟動與斷電再恢復運行功能,。
n 強大的通訊功能,，支持標準的Rs485與Can Bus，同時提供遠控鍵盤功能,。
n 界面有好：人性化顯示菜單,，中文液晶LCD顯示，配以LED顯示,，同時顯示3個狀態(tài)參數(shù),。
n *的逆變模塊（IGBT）溫升監(jiān)控功能，風扇調(diào)節(jié)可控,，適時降低電機噪音和溫升,。
n 高效的故障查詢與記錄功能，方便排除故障;參數(shù)保護功能,。
n *的設計,，使變頻器對電源的污染降低。
1.2 基于“電機系統(tǒng)工程”電機運行特點開發(fā)的設計制造的新一代高品質(zhì),、多功能電機控制,、環(huán)保、節(jié)能產(chǎn)品-PS7000系列電機環(huán)保節(jié)能器通過檢驗和科技成果鑒定,。該產(chǎn)品應用*的空間電壓矢量PWM控制技術,、矢量控制技術，采用高性能的功率模塊和*的節(jié)能器制造工藝,，具有創(chuàng)新性和*性,。本產(chǎn)品不同于以往的電機節(jié)能器，具有電機無級調(diào)速滿足工藝和節(jié)能的雙重效果及對低速,、重載的設備控制,。專家評語：“該產(chǎn)品技術*，性能指標達到國內(nèi),，節(jié)能及環(huán)保效果明顯”,。綜合節(jié)電率可達30%，經(jīng)濟效益顯著,。該項目獲2008年國家發(fā)改委“資源節(jié)約與環(huán)境保護”項目,。
該產(chǎn)品具有下列優(yōu)異表現(xiàn)：
n 具有電機節(jié)能和無級調(diào)速的雙重效用。根據(jù)負載特性自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,，具有軟啟動特性,，沒有啟動時的沖擊電流與機械震動;
n 全程優(yōu)化設計：可有效降低電機運行噪音和發(fā)熱、減少電機維護量,延長電機使用壽命的2～4倍,，降低維修成本;
n 具有市電及節(jié)電狀態(tài)雙電路自動轉(zhuǎn)換的不間斷供電回路,、故障自動報警，不影響正常工作;
n 寬電壓設計以及轉(zhuǎn)速跟蹤功能保障了在電網(wǎng)電壓波動頻繁的情況下節(jié)能器仍能正常工作,。
n 產(chǎn)品設計安全處理按歐盟“廢棄電器與電子設備標準”設計（WEEE）符合歐盟“禁用有害物質(zhì)RoHS認證”要求,。內(nèi)置輸出電抗器、平波電抗器等抑制諧波,，降低對電網(wǎng)的污染,。
n 將低電源輸配無功損耗，降低變壓器容量需求20%以上;
n 有效提高功率因數(shù)達95%以上,，節(jié)能顯著,，綜合節(jié)電率可達30%，改善“大馬拉小車”的功耗浪費問題;
n 保護功能齊全：過電壓,，欠電壓,，過電流,電子熱過載保護,變頻器過熱保護，斷電再恢復運行,電流限幅,，過電壓,，保險絲斷，接地故障,，缺相,，過載保護，外部故障,，通訊錯誤 ,PID反饋信號異常等,。
2、應用領域
主要應用以下設備的節(jié)能和自動化控制：
發(fā)電廠：水泵,、風機
油田：注水泵,、輸油泵、加壓泵,、磕頭機
自來水廠：輸送水泵,、加壓水泵
煤礦：礦井風機、水泵
冶金鋼鐵：高爐鼓風機,、冷卻泵,、清洗泵、除塵風機,、抽煙機,、引風機,、制革機等
石化：風機、水泵,、油泵輸送系統(tǒng),、除塵風機、鍋爐系統(tǒng)
紡織化纖：空調(diào)系統(tǒng),、送風機,、循環(huán)水泵、壓縮機,、冷卻水泵,、鍋爐系統(tǒng)
水泥廠：羅茨風機、集塵系統(tǒng),、選粉系統(tǒng),、輸料系統(tǒng)等
造紙廠：水泵、紙漿泵,、鍋爐系統(tǒng)
食品制藥廠：水泵,、風機、空氣壓縮機,、空調(diào)系統(tǒng),、鍋爐系統(tǒng)
樓宇中央空調(diào)：送風機、循環(huán)水泵,、壓縮主機,、冷卻水塔、屋頂排風機
三,、節(jié)能分析與實例
通過流體力學的基本定律可知：風機,、泵類設備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，
其轉(zhuǎn)速n與流量Q,，壓力H以及軸功率P具有如下關系：
Q∝n,，H∝n2，P∝n3;即流量與轉(zhuǎn)速成正比,，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比,，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
以一臺水泵為例,，它的出口壓頭為H0（出口壓頭即泵入口和管路出口的靜壓力差）,，額定轉(zhuǎn)速為n0,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應的壓力為H1,出口流量為Q1。
在現(xiàn)場控制中,，通常采用水泵定速運行,，出口閥門控制流量。當流量從Q1減小50%至Q2時,，閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞1,，系統(tǒng)工作點沿方向由原來的A點移至B點;受其節(jié)流作用壓力H1變?yōu)镠2,。水泵軸功率實際值（kW）可由公式：P=Q·H/（ηc·ηb）×103得出。其中,，P,、Q、H,、ηc、ηb分別表示功率,、流量,、壓力、水泵效率,、傳動裝置效率,，直接傳動為1。假設總效率（ηc·ηb）為1,，則水泵由A點移至B點工作時,，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。
如果采用調(diào)速手段改變水泵的轉(zhuǎn)速n,，當流量從Q1減小50%至Q2時,，那么管網(wǎng)阻力特性為同一曲線r0，系統(tǒng)工作點將沿方向II由原來的A點移至C點,，水泵的運行也更趨合理,。在閥門全開，只有管網(wǎng)阻力的情況下,，系統(tǒng)滿足現(xiàn)場的流量要求,，能耗勢必降低。
此時,，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差,。
比較采用閥門開度調(diào)節(jié)和水泵轉(zhuǎn)速控制，顯然使用水泵轉(zhuǎn)速控制更為有效合理,，具有顯著的節(jié)能效果,。
另外，從圖中還可以看出：閥門調(diào)節(jié)時將使系統(tǒng)壓力H升高,，這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞;而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時,，系統(tǒng)壓力H將隨泵轉(zhuǎn)速n的降低而降低，因此不會對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響,。
從上面的比較不難得出：當現(xiàn)場對水泵流量的需求從100%降至50%時,，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)將比原來的閥門調(diào)節(jié)節(jié)省BCH3H2所對應的功率大小，節(jié)能率在75%以上,。
電機轉(zhuǎn)速與節(jié)能率的關系表
與此相類似的,，如果采用變頻調(diào)速技術改變泵類,、風機類設備轉(zhuǎn)速來控制現(xiàn)場壓力、溫度,、水位等其它過程控制參量,，同樣可以依據(jù)系統(tǒng)控制特性繪制出關系曲線得出上述的比較結(jié)果。采用變頻調(diào)速技術改變電機轉(zhuǎn)速的方法,，要比采用閥門,、擋板調(diào)節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟，設備運行工況也將得到明顯改善,。
四,、節(jié)能計算
應用實例1
江蘇某鋼鐵企業(yè)一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16m3/h,，揚程50m;配備Y225M-4型電動機,，額定功率45kW。泵在閥門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時的流量-負載曲線如下圖示,。根據(jù)運行要求,，水泵連續(xù)24小時運行，其中每天11小時運行在90%負荷,，13小時運行在50%負荷;全年運行時間在300天,。
則每年的節(jié)電量為：△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
每度電按0.5元計算，則每年可節(jié)約電費8.883萬元,。
應用實例2
在新型干法水泥生產(chǎn)線中,，直接采用變頻器或電機環(huán)保節(jié)能器，則在投入上就采取節(jié)能降耗的措施,，效果非常明顯,。
大連某水泥制造有限公司3000噸新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，采用PS7000系列電機環(huán)保節(jié)能器共17套
按保守預計,，節(jié)電率25%,，年生產(chǎn)300天，每天24小時計算,，則節(jié)電及節(jié)省電費如下（正常工作按額定功率80%）：
節(jié)電：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
每度電按0.50元計算,，則年節(jié)省電費：2,244,860＊0.5=1,1224,30元
即年節(jié)省電費110萬元。
應用案例2 立窯供風系統(tǒng)變頻改造
?。?）風機運行情況
一般低壓立窯風機的調(diào)節(jié)方式為風門調(diào)節(jié)法,，蘿茨風機的供風調(diào)節(jié)方式為排風調(diào)節(jié)或回風調(diào)節(jié);離心風機的供風調(diào)節(jié)方式為進風閥門調(diào)節(jié)。
?。?）從風機使用的一般性經(jīng)驗可以知道：工頻運行狀態(tài)（AC380V/50Hz）下,，用風門（風閥）調(diào)節(jié)風量的風機在使用過程中的負荷是在15%～100%之間波動;負荷越小風門（風閥）的節(jié)流損失就越大，風機效率也就越低。而改為變頻調(diào)節(jié)方式就幾乎不存在風門的節(jié)流損失,，同時變頻裝置采用軟啟動方式也不存在啟動沖擊電流,，對于配電容量有限的工廠用電系統(tǒng)，也可提高其安全系數(shù),。
?。?）改造后的變頻供風系統(tǒng)是在保留原來供風系統(tǒng)的基礎上增加一套變頻回路與原回路并聯(lián)使用，形成雙回路可轉(zhuǎn)換的控制系統(tǒng),，并將變頻器的調(diào)速裝置安裝在窯的上部位,，通過調(diào)節(jié)電機（風機）的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)燒結(jié)時的用風量。其特點：
● 節(jié)電效果好,。改造后電機大部分時間運行在35-43Hz左右即可滿足用風量,，節(jié)電率大于25%;
● 具有軟啟動功能，降低負荷強度,，延長設備使用壽命，啟動電流小,，提高用電安全系數(shù)及減少電網(wǎng)容量;
● 調(diào)節(jié)風量精度準確,、及時方便;
● 關閉回風口或排風口，減少水泥粉塵污染等,。
大連某水泥有限公司采用普傳科技變頻改造后的測試結(jié)果如表1所示：
表1 立窯送風機變頻改造節(jié)能效果分析表
u 水泥選粉系統(tǒng)
工作原理是根據(jù)所生產(chǎn)的水泥的標號的不同,，調(diào)節(jié)選粉機和選粉風機的轉(zhuǎn)速，從而選出不同細度的水泥制品,。表2 選粉風機變頻改造節(jié)能效果分析表
應用案例4：在在大型火電廠直接空冷系統(tǒng)中的應用
實現(xiàn)真正意義上的綠色GDP增長,，對于需要大量冷卻水源的燃煤發(fā)電廠，勢必要改變其傳統(tǒng)的汽輪機排汽冷卻方式,。直接空冷技術的應用與發(fā)展,，使得這一需求變?yōu)榭赡埽矠樽冾l器在燃煤發(fā)電廠空冷機組的推廣應用提供廣闊的前景,。
空冷系統(tǒng)建筑規(guī)模龐大,，一般稱為空冷島。包括凝結(jié)水系統(tǒng)（凝結(jié)水箱）,、真空疏水系統(tǒng)（包括疏水泵）,、排氣/抽氣系統(tǒng)（水環(huán)泵單元）、空冷凝汽器（ACC）等四套系統(tǒng),。
作為國內(nèi)電站空冷設備制造的內(nèi)蒙古自治區(qū)某地區(qū)2＊300MW火電機組工程直接空冷機組的系統(tǒng)項目,。每臺機組布置方式為5×6的風機30臺，每列4臺順流風機,，1臺逆流風機,，均采用變頻控制。每臺風機配置一套變頻調(diào)速裝置,，共配60臺變頻調(diào)速裝置
五,、結(jié)束語
變頻系統(tǒng)在各類調(diào)速系統(tǒng)中使用時,，其節(jié)能效果對于單臺設備可做到5-75%，在風機水泵類設備的一般應用的節(jié)能效果更加明顯,，這些均值也可做到8-50%,，在未受到其他因素的影響的情況下一般可取上限節(jié)能效果平均值。這些數(shù)據(jù)由實際應用中得到,，數(shù)據(jù)可由市場上公開出售的資料（書）查到;通過這些數(shù)據(jù)再進行一些簡單的投資回收率的計算可知：變頻節(jié)能系統(tǒng)（裝置）的投資回收期一般為4-20個月（這是經(jīng)驗值）,。風機、泵類等設備采用變頻調(diào)速技術實現(xiàn)節(jié)能運行是我國節(jié)能的一項重點推廣技術,，投資少,、收益快!