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罗茨风机采用变频节能的研究

罗茨风机采用变频节能的研究

山东锦工有限公司是一家专业生产罗茨鼓风机、罗茨真空泵、回转风机等机械设备公司,位于有“铁匠之乡”之称的山东省章丘市相公镇,近年来,锦工致力于新产品的研发,新产品双油箱罗茨风机、水冷罗茨风机、油驱罗茨风机、低噪音罗茨风机,赢得了市场好评和认可。

罗茨风机设备通常在现代工业生产、产品加工、污水处理等制造业中主要配合锅炉燃烧系统、冷却系统、烘干系统、曝气系统、通风系统等大型机器共同应用。根据不同的生产需要,结合传统的风门、挡板、阀门的控制方案,对炉膛内压、风速、风量等指标进行控制及调节,以适应工艺要求和运行工况。在整个过程中,罗茨鼓风机都必须不间断的全速运转,这将导致大量的能源浪费以及设备损耗。如何精确的控制能量在整个过程中的分配和流失情况则显得至关重要。
变频器驱动技术的实现为我们带来了福音,它具有很高的节能空间。目前,许多国家均已将变频调速装置用于指定流量压力控制,传统方式受到挑战,进而有取而代之的趋势。中国国家能源法第29条第二款也明确规定罗茨风机泵类负载应该采用电力电子调速。《中华人民共和国节约能源法》第39条就把罗茨风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行列为国家通用技术加以实施和推广,是我国节能的一项重点推广项目,受到国家政府的普遍重视。如在现代高参数、大容量电站中,泵与罗茨风机常采用变速调节。在现代工业生产中,罗茨风机、泵类设备应用范围广泛,其电能消耗不容忽视,是一笔不小的生产费用开支,有数据显示,设备各种损耗占到生产成本的 7%~25%。随着经济大环境的改变,市场竞争的不断加剧,节能降耗早已成为企业降低生产成本、提高产品质量的重要措施之一。因此,推广交流变频调速装置迫在眉睫,被公认为最有发展前途的调速方式。
1、存在的问题和原因
在企业生产中,罗茨鼓风机的应用很普遍。传统的节流方式主要采用导流器(风门)进行,导致罗茨风机运行效率不高,造成巨大的能源浪费,并且罗茨风机维护、维修的费用也提高了企业的生产成本。企业使用的罗茨风机一般为容积式风机。风量的控制主要依靠罗茨风机入口的电机转速来调节,不但造成大量的能源浪费,而且罗茨风机运行时振动大、噪音高,设备炉膛内负压不稳定,容易发热等。因为实际生产过程中用汽量较小,锅炉鼓风、引风控制一般采用接触器控制,而相应的频繁启停,导致相应能源浪费和运行不稳定等突出问题。
当罗茨风机采用风门 (入口导流器)调节时,随着导流器角度的增大(即风门开度减小),流量减小的同时罗茨风机的效率降低,尤其在导流器角度较大(风门开度较小)时罗茨风机效率大大下降。可见,调速罗茨风机效率高是罗茨风机变频调速节能的最主要原因。因此,罗茨风机的节能改造是势在必行的。罗茨风机节能改造的必要性主要表现在传统系统采用工频运行,利用主管路的阀门开度进行风量调节,尽管该法能够使电动机达到驱动要求,但剩余的力矩又增加了设备有功功率的损耗,在造成电能的浪费的同时,对生产调节具有很大的滞后作用,使整个工艺的运行处在不稳定状态。
2、罗茨风机采用变频节能的原理
目前,由于罗茨风机设备大多数采用异步电动机直接驱动的方式,存在诸多缺陷,如启动电流过大、电气保护特性差、机械冲击等。当电机负载过大时,不仅设备使用寿命受到影响,而且还造成机械故障,时常出现泵损坏或者电机发烫烧毁的现象。
近几年来,针对节能的迫切需要和以及企业对产品质量要求的不断提高,一种新型的设备开始流行,这就是变频调速器(简称变频器)。变速调节是在管路性能曲线不变时,用变速来改变罗茨风机的性能曲线,从而改变他们的工作点。其特点是易操作、控制精度高、免维护、高性能。随着变频器驱动的运用,传统的风门、挡板、阀门的控制方案逐渐被其取代。
变频调速技术的基本原理是在其他条件不变时,改变异步电动机定,子端输入电源频率进而改变电动机转速。根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60(f1- 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。频调速效率高,调速范围广,特别适合长时间在低速下运行的工况。
3、采用变频调节的节能分析
根据流体动力学的知识可知,对于罗茨风机存在如下关系:
Q∝n ①;p∝T∝n2②;P∝Tn∝n3③
式中:Q,p――分别为风量,风压;n,T――分别为转速,转矩;P――轴功率。
从式①中可看出,罗茨风机的风量和转速成正比,风压与转速的2次方成正比,而轴功率与转速的3次方成正比。当需要的风量降低时,电机转速的改变量在理论上其能耗将以其3次方的速率下降。与此同时,在罗茨风机转速降低的过程中,轴功率应以转速的3次方的速率降低,相应的驱动罗茨风机的电动机所需的电功率也将降低,可见调节转速是罗茨风机节能的重要途径。
普通罗茨风机的功率因数范围在 0.6- 0.7,使用了变频调速装置以后,由于变频器内部滤波电容的作用,进而降低了无功损耗,而相反的增加了电网的有功功率。使用变频节能装置后,通过变频器上的软启动功能可以使启动电流从零开始,并把电流限制在额定电流以内,这样缓解了其对电网的冲击以及对供电容量的要求,从而延长了设备及阀门的使用寿命。刘长军等人通过实践证明,变频器运用于罗茨风机类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果,是一种理想的、高效的调速控制方式。不仅提高了设备的使用效率,又跟得上企业生产工艺要求。与此同时,又大大减少了设备维护及维修的费用,降低了停产周期,十分明显的提高了企业经济效益。
4、改造措施和效果
随着企业用电负荷的大范围增加,引罗茨风机的风量需要随着用电负荷的变化而变化,然而由于经常在工频状态下的低效率运行,致使大量的能量在风道挡板上浪费流失了。因此,采用高压变频技术对罗茨风机进行变频改造就显得格外的迫切。张维,杨春等人在研究了锅炉鼓引罗茨风机的变频节能改造后提出:罗茨风机、引罗茨风机变频改造后,运行效果良好,主要表现在①噪音与振动减小;②运行安全稳定性更高;③节约能源,降低成本,包括节能节电。王永辉等人在研究了变频技术在污水处理厂罗茨风机上的应用的过程中提出有关罗茨风机变频系统的改造方案。其中包括①在罗茨风机上装设闭环控制方式的变频系统;②在原工频系统保留的基础上结合变频器相互作用;③采用本地、远程控制相结合的监控措施;④设置远程控制和故障报警系统,保证生产工艺的方便性、安全性。胡炫,朱虎,杨志等人在研究了高压变频器在发电厂引罗茨风机上的应用与节能分析中指出:罗茨风机在变工况运行中,调节深度愈大,节能效果愈显著,变频调速曲线最接近理想曲线,其运行能耗最低,节能效果最佳。他们提出在大功率设备上应用ASD6000S系列高压大功率变频器进行罗茨风机技术改造,取得了明显的节能效果。ASD6000S系列高压大功率变频调速系统是由多个功率模块串联起来,通过叠加了多个低压功率模块的输出而汇总得到高压输出,具有谐波小、可靠性高等技术特点。

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