变频调速节能技术在矿山风机、水泵的应用———变频调速节能技术

前言 能源势与节能
        能源短缺和环境污染是人类当前共同面临的世纪性难题。我国人口众多，能源资源相对匮乏,节约能源犹显重要。
        电力资源是资源战略问题中的重中之重，是国民经济和社会发展的重要基础。通过技术进步，逐步提高电力利用效率，节省有限的自然资源，保护环境，实现可持续发展。
       “十一五”规划建设目标是实现单位GDP能耗下降20％，主要途径有三个，包括结构节能、推进技术节能及管理节能。据资料显示我国高、低压电动机总容量在35000MW以上，大部分为风机泵类负载，它们大多工作在高能耗、低效率状态。覆盖电力、石油、化工、冶金、制造、环保、市政等行业，其耗电量占全国总用电量的40％左右。而水泵和风机的一个特点是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。如可根据所需的流量调节转速，就可获得很好的节电效果，一般可节电20％～50％。
        目前我国大型异步电动机应用变频调速刚刚起步，但国外已经广泛使用，而且随着电力电子器件的发展，高压变频装置的型式多种多样。通过他们长期的运行实践可以发现：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。变频调速以其优异的调速、起动和制动性能、高效率、高功率因数、良好的节电效果及广泛的适用范围等优点被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。
        微能公司结合本单位的实际情况，根据集团公司的要求专门成立了节能办公室，使整体能耗下降12%，在风机、水泵上的应用效果犹其明显。
  一、节电原理 调速节电
1.1  改造项目介绍
       矿石破碎除尘离心风机，取水离心水泵，浮选机组（特性与水泵相似）。

1.2  运行工况分析(以风机为例说明)
       在实际运行时，由于采用进风门挡板调节，大部分的能量都被消耗在挡板上了，且挡板的开度越小则耗能就更多。在一般情况下 ，采用挡板调节的风机其实际消耗功率与风量大致成正比，与风门的开度也大致成正比，从上述工况中的风门开度及电流参数也可以看出这一点。

对运行情况进行分析，可以得出以下两点：
（1）风机实际风量约为额定风量的一部分，风机远离额定点运行，其实际运行效率很低。
（2）由于挡板的存在，挡板前后存在压差，消耗了很大一部分能量。 所以可以从以上两个方面改善其运行工况，减小损耗，达到节能的目的。
  1.3  改造建议
       挡板这种调节方式虽然简单易行，已成习惯，但它是以增加管网损耗，耗费大量能源为代价的。对于大功率电机，耗能则更大。当采用变转速调节时，其效率最高，因为风量随转速的一次方下降，而其轴功率则按转速的三次方规律下降，而目前性能最佳的调速方式则是国际上公认的交流变频调速技术。对于变频器的选择，我们做了详细的市场调查，经过公司领导的慎重考虑，最终选择了深圳市微能科技生产的WIN-9P系列风机专用型变频器和WIN-9GV高性能电流矢量型变频器，进行破碎除尘风机，湖边水泵和浮选机的改造。
  二、变频改造的节能分析
2.1  变频调速节能原理
       从流体力学的原理得知，使用感应电机驱动的风机，轴功率P与风量Q，风压H的关系为:当电动机的转速由n1变化到n2时, Q、 H、 P与转速的关系如下:
  (1)：
  (2)：
  (3)：=
        可见风量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80％的额定风量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40赫兹即可，这时所需功率将仅为原来的51.2％。
        如下图所示，从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。
  
          当所需风量从Q1减小到Q2时，如果采用调节风门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，风机转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（H2-HB）×（C-B）的面积成正比。
        考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机类通过调速控制可节能达20％～50％。

2.2  变频改造节能分析
改造前工频运行功率计算公式,其中：
--电机电压，kV；
--电机电流，A；
--单一负荷下工频运行功率，；
--单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数。

,其中：
--全年平均运行时间，；
--单一负荷下的运行功率，；
--这种负荷下的全年运行时间比例；
--改造前总耗电量，。
  改造后变频运行预计功率计算公式：
  利用公式：计算出的比。其中：
--工频运行功率，KW；
--额定轴功率，KW；
--运行工况与额定工况下的效率、压力比，小功率电机取1，大功率电机取0.9根据改造风量不变的原则，有，其中为改造后的风量。所以。再根据，即计算出。其中是变频改造后预计运行功率，η为变频装置的效率。
  ，其中：
--改造后总耗电量，。

2.3  节能对照表：风机、水泵变频调速时的能耗比较                                    
  转速n%                        流量Q%            风压H%            轴功率P%            节电率%                                       
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