羅茨風(fēng)機(jī)采用變頻節(jié)能的研究

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、羅茨真空泵、回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備公司，位于有“鐵匠之鄉(xiāng)”之稱的山東省章丘市相公鎮(zhèn)，近年來，錦工致力于新產(chǎn)品的研發(fā)，新產(chǎn)品雙油箱羅茨風(fēng)機(jī)、水冷羅茨風(fēng)機(jī)、油驅(qū)羅茨風(fēng)機(jī)、低噪音羅茨風(fēng)機(jī)，贏得了市場好評(píng)和認(rèn)可。

羅茨風(fēng)機(jī)設(shè)備通常在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品加工、污水處理等制造業(yè)中主要配合鍋爐燃燒系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等大型機(jī)器共同應(yīng)用。根據(jù)不同的生產(chǎn)需要，結(jié)合傳統(tǒng)的風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案，對爐膛內(nèi)壓、風(fēng)速、風(fēng)量等指標(biāo)進(jìn)行控制及調(diào)節(jié)，以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況。在整個(gè)過程中，羅茨鼓風(fēng)機(jī)都必須不間斷的全速運(yùn)轉(zhuǎn)，這將導(dǎo)致大量的能源浪費(fèi)以及設(shè)備損耗。如何精確的控制能量在整個(gè)過程中的分配和流失情況則顯得至關(guān)重要。
變頻器驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)為我們帶來了福音，它具有很高的節(jié)能空間。目前，許多國家均已將變頻調(diào)速裝置用于指定流量壓力控制，傳統(tǒng)方式受到挑戰(zhàn)，進(jìn)而有取而代之的趨勢。中國國家能源法第29條第二款也明確規(guī)定羅茨風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載應(yīng)該采用電力電子調(diào)速。《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條就把羅茨風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行列為國家通用技術(shù)加以實(shí)施和推廣，是我國節(jié)能的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，受到國家政府的普遍重視。如在現(xiàn)代高參數(shù)、大容量電站中，泵與羅茨風(fēng)機(jī)常采用變速調(diào)節(jié)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，羅茨風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛，其電能消耗不容忽視，是一筆不小的生產(chǎn)費(fèi)用開支，有數(shù)據(jù)顯示，設(shè)備各種損耗占到生產(chǎn)成本的 7%～25%。隨著經(jīng)濟(jì)大環(huán)境的改變，市場競爭的不斷加劇，節(jié)能降耗早已成為企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要措施之一。因此，推廣交流變頻調(diào)速裝置迫在眉睫，被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。
1、存在的問題和原因
在企業(yè)生產(chǎn)中，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的應(yīng)用很普遍。傳統(tǒng)的節(jié)流方式主要采用導(dǎo)流器(風(fēng)門)進(jìn)行，導(dǎo)致羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率不高，造成巨大的能源浪費(fèi)，并且羅茨風(fēng)機(jī)維護(hù)、維修的費(fèi)用也提高了企業(yè)的生產(chǎn)成本。企業(yè)使用的羅茨風(fēng)機(jī)一般為容積式風(fēng)機(jī)。風(fēng)量的控制主要依靠羅茨風(fēng)機(jī)入口的電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，不但造成大量的能源浪費(fèi)，而且羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大、噪音高，設(shè)備爐膛內(nèi)負(fù)壓不穩(wěn)定，容易發(fā)熱等。因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)過程中用汽量較小，鍋爐鼓風(fēng)、引風(fēng)控制一般采用接觸器控制，而相應(yīng)的頻繁啟停，導(dǎo)致相應(yīng)能源浪費(fèi)和運(yùn)行不穩(wěn)定等突出問題。
當(dāng)羅茨風(fēng)機(jī)采用風(fēng)門 (入口導(dǎo)流器)調(diào)節(jié)時(shí)，隨著導(dǎo)流器角度的增大(即風(fēng)門開度減小)，流量減小的同時(shí)羅茨風(fēng)機(jī)的效率降低，尤其在導(dǎo)流器角度較大(風(fēng)門開度較小)時(shí)羅茨風(fēng)機(jī)效率大大下降。可見，調(diào)速羅茨風(fēng)機(jī)效率高是羅茨風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能的最主要原因。因此，羅茨風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造是勢在必行的。羅茨風(fēng)機(jī)節(jié)能改造的必要性主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)系統(tǒng)采用工頻運(yùn)行，利用主管路的閥門開度進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，盡管該法能夠使電動(dòng)機(jī)達(dá)到驅(qū)動(dòng)要求，但剩余的力矩又增加了設(shè)備有功功率的損耗，在造成電能的浪費(fèi)的同時(shí)，對生產(chǎn)調(diào)節(jié)具有很大的滯后作用，使整個(gè)工藝的運(yùn)行處在不穩(wěn)定狀態(tài)。
2、羅茨風(fēng)機(jī)采用變頻節(jié)能的原理
目前，由于羅茨風(fēng)機(jī)設(shè)備大多數(shù)采用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式，存在諸多缺陷，如啟動(dòng)電流過大、電氣保護(hù)特性差、機(jī)械沖擊等。當(dāng)電機(jī)負(fù)載過大時(shí)，不僅設(shè)備使用壽命受到影響，而且還造成機(jī)械故障，時(shí)常出現(xiàn)泵損壞或者電機(jī)發(fā)燙燒毀的現(xiàn)象。
近幾年來，針對節(jié)能的迫切需要和以及企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，一種新型的設(shè)備開始流行，這就是變頻調(diào)速器（簡稱變頻器）。變速調(diào)節(jié)是在管路性能曲線不變時(shí)，用變速來改變羅茨風(fēng)機(jī)的性能曲線，從而改變他們的工作點(diǎn)。其特點(diǎn)是易操作、控制精度高、免維護(hù)、高性能。隨著變頻器驅(qū)動(dòng)的運(yùn)用，傳統(tǒng)的風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案逐漸被其取代。
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是在其他條件不變時(shí)，改變異步電動(dòng)機(jī)定，子端輸入電源頻率進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60（f1- s）／p，（式中 n、f、s、p 分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)）；通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。頻調(diào)速效率高，調(diào)速范圍廣，特別適合長時(shí)間在低速下運(yùn)行的工況。
3、采用變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能分析
根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)的知識(shí)可知，對于羅茨風(fēng)機(jī)存在如下關(guān)系：
Q∝n ①；p∝T∝n2②；P∝T?n∝n3③
式中：Q，p――分別為風(fēng)量，風(fēng)壓；n，T――分別為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩；P――軸功率。
從式①中可看出，羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。當(dāng)需要的風(fēng)量降低時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變量在理論上其能耗將以其3次方的速率下降。與此同時(shí)，在羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低的過程中，軸功率應(yīng)以轉(zhuǎn)速的3次方的速率降低，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)所需的電功率也將降低，可見調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是羅茨風(fēng)機(jī)節(jié)能的重要途徑。
普通羅茨風(fēng)機(jī)的功率因數(shù)范圍在 0.6- 0.7，使用了變頻調(diào)速裝置以后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，進(jìn)而降低了無功損耗，而相反的增加了電網(wǎng)的有功功率。使用變頻節(jié)能裝置后，通過變頻器上的軟啟動(dòng)功能可以使啟動(dòng)電流從零開始，并把電流限制在額定電流以內(nèi)，這樣緩解了其對電網(wǎng)的沖擊以及對供電容量的要求，從而延長了設(shè)備及閥門的使用壽命。劉長軍等人通過實(shí)踐證明，變頻器運(yùn)用于羅茨風(fēng)機(jī)類設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的、高效的調(diào)速控制方式。不僅提高了設(shè)備的使用效率，又跟得上企業(yè)生產(chǎn)工藝要求。與此同時(shí)，又大大減少了設(shè)備維護(hù)及維修的費(fèi)用，降低了停產(chǎn)周期，十分明顯的提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
4、改造措施和效果
隨著企業(yè)用電負(fù)荷的大范圍增加，引羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需要隨著用電負(fù)荷的變化而變化，然而由于經(jīng)常在工頻狀態(tài)下的低效率運(yùn)行，致使大量的能量在風(fēng)道擋板上浪費(fèi)流失了。因此，采用高壓變頻技術(shù)對羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造就顯得格外的迫切。張維，楊春等人在研究了鍋爐鼓引羅茨風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能改造后提出：羅茨風(fēng)機(jī)、引羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造后，運(yùn)行效果良好，主要表現(xiàn)在①噪音與振動(dòng)減小；②運(yùn)行安全穩(wěn)定性更高；③節(jié)約能源，降低成本，包括節(jié)能節(jié)電。王永輝等人在研究了變頻技術(shù)在污水處理廠羅茨風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用的過程中提出有關(guān)羅茨風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)的改造方案。其中包括①在羅茨風(fēng)機(jī)上裝設(shè)閉環(huán)控制方式的變頻系統(tǒng)；②在原工頻系統(tǒng)保留的基礎(chǔ)上結(jié)合變頻器相互作用；③采用本地、遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的監(jiān)控措施；④設(shè)置遠(yuǎn)程控制和故障報(bào)警系統(tǒng)，保證生產(chǎn)工藝的方便性、安全性。胡炫，朱虎，楊志等人在研究了高壓變頻器在發(fā)電廠引羅茨風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用與節(jié)能分析中指出：羅茨風(fēng)機(jī)在變工況運(yùn)行中，調(diào)節(jié)深度愈大，節(jié)能效果愈顯著，變頻調(diào)速曲線最接近理想曲線，其運(yùn)行能耗最低，節(jié)能效果最佳。他們提出在大功率設(shè)備上應(yīng)用ASD6000S系列高壓大功率變頻器進(jìn)行羅茨風(fēng)機(jī)技術(shù)改造，取得了明顯的節(jié)能效果。ASD6000S系列高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)是由多個(gè)功率模塊串聯(lián)起來，通過疊加了多個(gè)低壓功率模塊的輸出而匯總得到高壓輸出，具有諧波小、可靠性高等技術(shù)特點(diǎn)。

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