普傳科技在風機水泵類負載的節能實踐

【摘要】在工業生產和產品加工制造業中，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費用開支。國家節能減排政策的制定和執行，節能降耗業已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一。

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。據統計和相關資料介紹，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達國家低2%～3%，整體在用的電機驅動系統運行效率比國外低近20%。如果按電動機總容量的10%進行調速改造，按年平均運行4000小時、節電率20%～25%計算，年節電潛力為320億～400億千瓦時。加上為改善工藝流程而進行調速改造的電動機可帶來的節電潛力，總節電潛力約為500億千瓦時。相當于10000兆瓦裝機容量的火力發電廠的年發電量。電機系統節能是目前中國節能市場上最具商業潛力的領域。

　　在工業生產和產品加工制造業中，風機、泵類設備應用范圍廣泛;其電能消耗和諸如閥門、擋板相關設備的節流損失以及維護、維修費用占到生產成本的7%～25%，是一筆不小的生產費用開支。節能降耗業已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一。

　　變頻調速技術順應了工業生產自動化發展的要求，開創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工藝要求調整轉速輸出，從而降低電機功耗達到系統高效運行的目的。現已在石化、電力、冶金、石油、化工、建材（水泥、玻璃的等）、造紙、食品、紡織等多種行業的電機傳動設備中得到實際應用。目前，變頻調速技術已經成為現代電力傳動技術的一個主要發展方向。卓越的調速性能、顯著的節電效果，改善現有設備的運行工況，提高系統的安全可靠性和設備利用率，延長設備使用壽命等優點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現。

　　2、政策上的規定和措施

　　國家在建設“節約型社會”和節能減排的方針與政策上有相關規定和要求：

　　n 1998年實施、2007年修訂的《中華人民共和國節約能源法》;

　　n 國家發改委等部門制定的“節能中長期專項規劃”;

　　n 國家發改委“中國節能技術政策大綱”;

　　n 《“十一五”十大重點節能工程實施意見》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能規定;

　　n “十一·五”《國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》單位GDP能耗5年要降低20%左右

　　n 國家發改委、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個重點耗能行業組織開展千家企業節能行動。通過開展千家企業節能行動，“十一五”期間將實現節能1億噸標準煤左右）

　　特別是《“十一五”十大重點節能工程實施意見》中“電機系統節能工程”對電機的改造提出要求：提高電機系統效率：推廣變頻調速、永磁調速等先進電機調速技術，改善風機、泵類電機系統調節方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節流調節方式。以先進的電力電子技術傳動方式改造傳統的機械傳動方式，逐步采用交流調速取代直流調速……“工程”列出了重點改造領域：

　　1）電力：用變頻、永磁調速及計算機控制改造風機、水泵系統，重點是20萬千瓦以上火力發電機組。

　　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、永磁調速。

　　3）有色：除塵系統自動化控制及風機調速。

　　4）煤炭：礦井通風機、排水泵調速改造及計算機控制系統。

　　5）石油、石化、化工：工藝系統流程泵變頻調速及自動化控制。

　　6）機電：研發制造節能型電機、電機系統及配套設備。

　　7）輕工：注塑機、液壓油泵的變頻、永磁調速。

　　8）其他：企業空調和通風、樓宇集中空調的電機系統改造等。

　　3、風機水泵類負載綜述

　　通常在工業生產、產品加工制造業中風機設備主要用于鍋爐燃燒系統、烘干系統、冷卻系統、通風系統等場合，根據生產需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調節以適應工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節流損失消耗掉了。在生產過程中，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、工業水（油）循環系統、熱交換系統均使用離心泵、軸流泵、齒輪泵、柱塞泵等設備。而且，根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進行流量、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、影響生產和產品質量。

　　風機、泵類設備多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，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，而且當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現泵損壞同時電機也被燒毀的現象。

　　近年來，出于節能的迫切需要和對產品質量不斷提高的要求，加之采用變頻器易操作、免維護、控制精度高，并可以實現高功能化等特點;因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。

　　變頻調速技術的基本原理是根據電機轉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分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）;通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。

二、 普傳科技與變頻節能產品

　　1、普傳科技變頻技術產品特點

　　1.1 變頻器 的主要功能即為節能和自動控制。自主開發的PI7000系列高性能變頻器通過國家發配電及電控設備質量監督檢驗中心、國家轎車質量監督檢驗中心的檢驗和獲得遼寧省級科技成果鑒定。

　　產品設計符合國家標準GB/T12668.2-2002：《調速電氣傳動系統》中“低壓交流變頻電氣傳動系統額定值的規定”及GB12668.3-2004：“產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，和國內同行業比較，具備下列創新性和先進性

　　n 采用32位專用DSP（數字信號處理器）為核心的控制單元，實現高速高性能控制。

　　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生方式的變頻器

　　n 具有死區補償功能，實現低頻率大輸出轉矩;自動轉差補償。

　　n 十種頻率設定方式，模擬端子可以接受0～10V、0～20mA之內的自定義范圍信號。

　　n 六路可編程輸出控制端子。

　　n 內置PID功能，可實現高性能閉環速度控制PID調節的直流電流制動。

　　n 轉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個狀態參數。

　　n 特有的逆變模塊（IGBT）溫升監控功能，風扇調節可控，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;參數保護功能。

　　n 獨特的設計，使變頻器對電源的污染降到最低。

　　1.2 基于“電機系統工程”電機運行特點開發的設計制造的新一代高品質、多功能電機控制、環保、節能產品-PS7000系列電機環保節能器通過檢驗和科技成果鑒定。該產品應用先進的空間電壓矢量PWM控制技術、矢量控制技術，采用高性能的功率模塊和先進的節能器制造工藝，具有創新性和先進性。本產品不同于以往的電機節能器，具有電機無級調速滿足工藝和節能的雙重效果及對低速、重載的設備控制。專家評語：“該產品技術先進，性能指標達到國內領先水平，節能及環保效果明顯”。綜合節電率可達30%，經濟效益顯著。該項目獲2008年國家發改委“資源節約與環境保護”項目。

　　該產品具有下列優異表現：

　　n 具有電機節能和無級調速的雙重效用。根據負載特性自動調節電機轉速，具有軟啟動特性，沒有啟動時的沖擊電流與機械震動;

　　n 全程優化設計：可有效降低電機運行噪音和發熱、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 具有市電及節電狀態雙電路自動轉換的不間斷供電回路、故障自動報警，不影響正常工作;

　　n 寬電壓設計以及轉速跟蹤功能保障了在電網電壓波動頻繁的情況下節能器仍能正常工作。

　　n 產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RoHS認證”要求。內置輸出電抗器、平波電抗器等抑制諧波，降低對電網的污染。

　　n 將低電源輸配無功損耗，降低變壓器容量需求20%以上;

　　n 有效提高功率因數達95%以上，節能顯著，綜合節電率可達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能和自動化控制：

　　發電廠：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、除塵風機、鍋爐系統

　　紡織化纖：空調系統、送風機、循環水泵、壓縮機、冷卻水泵、鍋爐系統

　　水泥廠：羅茨風機、集塵系統、選粉系統、輸料系統等

　　造紙廠：水泵、紙漿泵、鍋爐系統

　　食品制藥廠：水泵、風機、空氣壓縮機、空調系統、鍋爐系統

　　樓宇中央空調：送風機、循環水泵、壓縮主機、冷卻水塔、屋頂排風機

三、節能分析與實例

　　通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，

　　其轉速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;即流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。

　　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阻力特性由r0變為r1，系統工作點沿方向由原來的A點移至B點;受其節流作用壓力H1變為H2。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，電機節省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。

　　如果采用調速手段改變水泵的轉速n，當流量從Q1減小50%至Q2時，那么管網阻力特性為同一曲線r0，系統工作點將沿方向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，只有管網阻力的情況下，系統滿足現場的流量要求，能耗勢必降低。

　　此時，電機節省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。

　　比較采用閥門開度調節和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節能效果。

　　另外，從圖中還可以看出：閥門調節時將使系統壓力H升高，這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞;而轉速調節時，系統壓力H將隨泵轉速n的降低而降低，因此不會對系統產生不良影響。

　　從上面的比較不難得出：當現場對水泵流量的需求從100%降至50%時，采用轉速調節將比原來的閥門調節節省BCH3H2所對應的功率大小，節能率在75%以上。
　　電機轉速與節能率的關系表

　　與此相類似的，如果采用變頻調速技術改變泵類、風機類設備轉速來控制現場壓力、溫度、水位等其它過程控制參量，同樣可以依據系統控制特性繪制出關系曲線得出上述的比較結果。采用變頻調速技術改變電機轉速的方法，要比采用閥門、擋板調節更為節能經濟，設備運行工況也將得到明顯改善。

四、節能計算

　　應用實例1

　　江蘇某鋼鐵企業一臺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。泵在閥門調節和轉速調節時的流量-負載曲線如下圖示。根據運行要求，水泵連續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，則每年可節約電費8.883萬元。

　　應用實例2

　　在新型干法水泥生產線中，直接采用變頻器或電機環保節能器，則在投入上就采取節能降耗的措施，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線，采用PS7000系列電機環保節能器共17套

　　按保守預計，節電率25%，年生產300天，每天24小時計算，則節電及節省電費如下（正常工作按額定功率80%）：

　　節電：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，則年節省電費：2,244,860＊0.5=1,1224,30元

　　即年節省電費110萬元。

　　應用案例2 立窯供風系統變頻改造

　　（1）風機運行情況

　　一般低壓立窯風機的調節方式為風門調節法，蘿茨風機的供風調節方式為排風調節或回風調節;離心風機的供風調節方式為進風閥門調節。

　　（2）從風機使用的一般性經驗可以知道：工頻運行狀態（AC380V/50Hz）下，用風門（風閥）調節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）的節流損失就越大，風機效率也就越低。而改為變頻調節方式就幾乎不存在風門的節流損失，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，也可提高其安全系數。

　　（3）改造后的變頻供風系統是在保留原來供風系統的基礎上增加一套變頻回路與原回路并聯使用，形成雙回路可轉換的控制系統，并將變頻器的調速裝置安裝在窯的上部位，通過調節電機（風機）的轉速來調節燒結時的用風量。其特點：

　　● 節電效果好。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，提高用電安全系數及減少電網容量;

　　● 調節風量精度準確、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果如表1所示：

　　表1 立窯送風機變頻改造節能效果分析表

　　u 水泥選粉系統

　　工作原理是根據所生產的水泥的標號的不同，調節選粉機和選粉風機的轉速，從而選出不同細度的水泥制品。表2 選粉風機變頻改造節能效果分析表

　　應用案例4：在在大型火電廠直接空冷系統中的應用

　　實現真正意義上的綠色GDP增長，對于需要大量冷卻水源的燃煤發電廠，勢必要改變其傳統的汽輪機排汽冷卻方式。直接空冷技術的應用與發展，使得這一需求變為可能，也為變頻器在燃煤發電廠空冷機組的推廣應用提供廣闊的前景。

　　空冷系統建筑規模龐大，一般稱為空冷島。包括凝結水系統（凝結水箱）、真空疏水系統（包括疏水泵）、排氣/抽氣系統（水環泵單元）、空冷凝汽器（ACC）等四套系統。

　　作為國內電站空冷設備制造的龍頭企業為內蒙古自治區某地區2＊300MW火電機組工程直接空冷機組的系統項目。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速裝置，共配60臺變頻調速裝置

五、結束語

　　變頻系統在各類調速系統中使用時，其節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能效果平均值。這些數據由實際應用中得到，權威性數據可由市場上公開出售的資料（書）查到;通過這些數據再進行一些簡單的投資回收率的計算可知：變頻節能系統（裝置）的投資回收期一般為4-20個月（這是經驗值也是權威數據）。風機、泵類等設備采用變頻調速技術實現節能運行是我國節能的一項重點推廣技術，投資少、收益快!