风机泵类负载变频节能浅析
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摘要：阐述了对风机泵类负载实现节能运行的必要性，从理论上分析了风机泵类负载的风量（流量）、风压（扬程）、功率与转速之间的关系，举例证实了风机泵类负载采用变频调速的节能效果。
关键词：风机泵类负载；变频；节能
0.前言
我国能源短缺，《工业节能十二五规划》指出：“必须从战略和全局的高度，充分认识做好工业节能工作的重要性、艰巨性和紧迫性，切实采取有效措施，大幅提高能源利用效率，突破资源环境瓶颈制约，促进工业发展方式实现根本性转变。”
据21世纪初的一项统计，我国电动机驱动用电约占总发电量的2/3，其中一半用于风机、水泵和压缩机（其中压缩机用量较小）的驱动。
风机、泵类负载多是根据满负荷工作量来选型，且多用恒速电机驱动，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态。在根据季节、生产状况等对风量、流量等参数进行调整时，常通过调节风门、闸门开度的方式来调节风量、流量大小，大量电能消耗在挡板上，运行效率低、能源浪费严重；同时，由于管道承受的压力加大，使机械设备容易损坏。
1.变频调速原理
电动机转速与输入电源的频率成正比，是变频调速的基本原理，即：N=60f（1-s）/P
公式中，N、 f、s、P分别表示电动机转速、输入电源频率、异步电动机转差率和电机磁极对数，通过改变输入电源的频率达到改变电机转速的目的。
变频调速技术就是基于上述原理采用集交-直-交电源变频技术、电子电力技术、微电脑控制技术于一体的综合性电控技术，这种技术在理论上可实现无级调速，启停平稳，作可靠，特别是在平方转矩类负载的调速方面节能效果显著。
2.调速节能原理
由流体力学原理可知，风机泵负载在使用电动机拖动的情况下，轴功率P与风量（流量）Q、风压（扬程）H的关系可表示为：P∝Q×H
当电动机转速由N1变化到N2时，Q、H、P与转速变化的关系是：
Q2=Q1×N2/N1 H2=H1×（N2/N1）2 P2=P1×（N2/N1）3
即风量（流量）与转速的变化成正比，风压（扬程）与转速变化的平方成正比，轴功率与转速变化的三次方成正比。
下面以风机为例，风量-转速-风压关系曲线如图所示。
若采用电机固定速度运行方式，通过调节出口风门开度控制风量，当风量从Q1减小50%至Q2时，由于风门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向Ⅰ由A点移至B点，其节流作用使风压由H1变为H2。根据公式P=Q·H/（ηc·ηb）×10-3，为分析起见，假设总效率（ηc·ηb）为1，则风机轴功率实际值（KW）为工作点与坐标轴所包围的矩形面积。因此，风机由工作点A移至工作点B时，电机节能为矩形AQ1OH1和矩形BQ2OH2的面积差。
若采用变频调速运行方式，通过改变风机的转速N，当风量同样从Q1减小50%至Q2时，采用变频调速技术控制风量比通过调节出口风门开度控制风量更节能，电机节能为矩形BCH3H2的面积。
与此类似，若通过变频调速技术调整泵类设备转速来调整流量，同样可以得出上述结果。
如在运行中既需要对风量（流量）参数进行调节，又需对风压（扬程）参数进行控制的系统，就需要采用变频调速技术调节电机转速和自动控制技术调节风门、阀的开度相配合的综合控制方式，才能满足工艺要求的前提下达到节能降耗的目的，本文不再展开。
3.应用举例
某厂有3台160KW的水泵，由3台160KW（额定电压380V）的异步电动机拖动；正常生产中，两台泵并联运行，一台冷备用。
水泵及配套异步电动机铭牌参数分别见表1和表2。
水泵型号 流量（m3/h） 配用电机功率（kw） 效率（%） 扬程（m） 转速（r/min）
14SH-9B 720 160 76.5 49 1450
表1水泵铭牌参数
电机型号 额定电压（V） 额定功率（kw） 额定电流（A） 功率因数 转速（r/min）
Y315L1-4 380 160 287 0.86 1485
表2配套异步电动机铭牌参数
3.1.变频改造前
当水泵在工作中需要改变流量时，采用节流调节的方式，即采用调节水泵入口阀门及出口阀门开度的方式来改变实际流量。
3.2.变频改造后
水泵入口阀门及出口阀门完全打开，采用调节电动机转速的方式来得到合适的流量。由于水泵不需要频繁调整，采用简单手动调整的方式，确定电动机的工作频率为40Hz。
根据测试，在变频改造后，其节电率为31.23%，单台泵每日可节约电能850KW·h；若电价按￥0.68元/ KW·h计，则每日可节约电费￥1156.00元。
4.结束语
目前，变频调速技术已被广泛应用在风机泵类负载的调速方式中，但由于现场情况、工艺要求千差万别，要真正达到预期的节能效果，需要我们对其具体工况、应采取的控制技术及应注意的问题进行更深层次、更全面的分析、探讨。
参考文献：
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[2]何超. 交流变频调速技术[M]. 北京：中国航空航天大学出版社， 2006
[3]庞丽君. 锅炉燃烧技术及设备[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 1991
[4]黄云章，夏玲. 浅析风机泵类设备的节能运行[J]. 湖南冶金职业技术学院学报， 2006，（6）
作者简介：厉立江（1978～），男，浙江上虞人，工程师、技师，研究方向：工业自动化、企业管理。