羅茨風機采用變頻節(jié)能的研究

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風機、羅茨真空泵、回轉(zhuǎn)風機等機械設備公司，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)品雙油箱羅茨風機、水冷羅茨風機、油驅(qū)羅茨風機、低噪音羅茨風機，贏得了市場好評和認可。

羅茨風機設備通常在現(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)、通風系統(tǒng)等大型機器共同應用。根據(jù)不同的生產(chǎn)需要，結合傳統(tǒng)的風門、擋板、閥門的控制方案，對爐膛內(nèi)壓、風速、風量等指標進行控制及調(diào)節(jié)，以適應工藝要求和運行工況。在整個過程中，羅茨鼓風機都必須不間斷的全速運轉(zhuǎn)，這將導致大量的能源浪費以及設備損耗。如何精確的控制能量在整個過程中的分配和流失情況則顯得至關重要。
變頻器驅(qū)動技術的實現(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)定羅茨風機泵類負載應該采用電力電子調(diào)速?！吨腥A人民共和國節(jié)約能源法》第39條就把羅茨風機、泵類等設備采用變頻調(diào)速技術實現(xiàn)節(jié)能運行列為國家通用技術加以實施和推廣，是我國節(jié)能的一項重點推廣項目，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，泵與羅茨風機常采用變速調(diào)節(jié)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，羅茨風機、泵類設備應用范圍廣泛，其電能消耗不容忽視，是一筆不小的生產(chǎn)費用開支，有數(shù)據(jù)顯示，設備各種損耗占到生產(chǎn)成本的 7%～25%。隨著經(jīng)濟大環(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，羅茨鼓風機的應用很普遍。傳統(tǒng)的節(jié)流方式主要采用導流器(風門)進行，導致羅茨風機運行效率不高，造成巨大的能源浪費，并且羅茨風機維護、維修的費用也提高了企業(yè)的生產(chǎn)成本。企業(yè)使用的羅茨風機一般為容積式風機。風量的控制主要依靠羅茨風機入口的電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，不但造成大量的能源浪費，而且羅茨風機運行時振動大、噪音高，設備爐膛內(nèi)負壓不穩(wěn)定，容易發(fā)熱等。因為實際生產(chǎn)過程中用汽量較小，鍋爐鼓風、引風控制一般采用接觸器控制，而相應的頻繁啟停，導致相應能源浪費和運行不穩(wěn)定等突出問題。
當羅茨風機采用風門 (入口導流器)調(diào)節(jié)時，隨著導流器角度的增大(即風門開度減小)，流量減小的同時羅茨風機的效率降低，尤其在導流器角度較大(風門開度較小)時羅茨風機效率大大下降。可見，調(diào)速羅茨風機效率高是羅茨風機變頻調(diào)速節(jié)能的最主要原因。因此，羅茨風機的節(jié)能改造是勢在必行的。羅茨風機節(jié)能改造的必要性主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)系統(tǒng)采用工頻運行，利用主管路的閥門開度進行風量調(diào)節(jié)，盡管該法能夠使電動機達到驅(qū)動要求，但剩余的力矩又增加了設備有功功率的損耗，在造成電能的浪費的同時，對生產(chǎn)調(diào)節(jié)具有很大的滯后作用，使整個工藝的運行處在不穩(wěn)定狀態(tài)。
2、羅茨風機采用變頻節(jié)能的原理
目前，由于羅茨風機設備大多數(shù)采用異步電動機直接驅(qū)動的方式，存在諸多缺陷，如啟動電流過大、電氣保護特性差、機械沖擊等。當電機負載過大時，不僅設備使用壽命受到影響，而且還造成機械故障，時常出現(xiàn)泵損壞或者電機發(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，用變速來改變羅茨風機的性能曲線，從而改變他們的工作點。其特點是易操作、控制精度高、免維護、高性能。隨著變頻器驅(qū)動的運用，傳統(tǒng)的風門、擋板、閥門的控制方案逐漸被其取代。
變頻調(diào)速技術的基本原理是在其他條件不變時，改變異步電動機定，子端輸入電源頻率進而改變電動機轉(zhuǎn)速。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60（f1- s）／p，（式中 n、f、s、p 分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。頻調(diào)速效率高，調(diào)速范圍廣，特別適合長時間在低速下運行的工況。
3、采用變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能分析
根據(jù)流體動力學的知識可知，對于羅茨風機存在如下關系：
Q∝n ①；p∝T∝n2②；P∝T?n∝n3③
式中：Q，p――分別為風量，風壓；n，T――分別為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩；P――軸功率。
從式①中可看出，羅茨風機的風量和轉(zhuǎn)速成正比，風壓與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。當需要的風量降低時，電機轉(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，在羅茨風機轉(zhuǎn)速降低的過程中，軸功率應以轉(zhuǎn)速的3次方的速率降低，相應的驅(qū)動羅茨風機的電動機所需的電功率也將降低，可見調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是羅茨風機節(jié)能的重要途徑。
普通羅茨風機的功率因數(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功能可以使啟動電流從零開始，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，從而延長了設備及閥門的使用壽命。劉長軍等人通過實踐證明，變頻器運用于羅茨風機類設備驅(qū)動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。不僅提高了設備的使用效率，又跟得上企業(yè)生產(chǎn)工藝要求。與此同時，又大大減少了設備維護及維修的費用，降低了停產(chǎn)周期，十分明顯的提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。
4、改造措施和效果
隨著企業(yè)用電負荷的大范圍增加，引羅茨風機的風量需要隨著用電負荷的變化而變化，然而由于經(jīng)常在工頻狀態(tài)下的低效率運行，致使大量的能量在風道擋板上浪費流失了。因此，采用高壓變頻技術對羅茨風機進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機的變頻節(jié)能改造后提出：羅茨風機、引羅茨風機變頻改造后，運行效果良好，主要表現(xiàn)在①噪音與振動減?。虎谶\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在污水處理廠羅茨風機上的應用的過程中提出有關羅茨風機變頻系統(tǒng)的改造方案。其中包括①在羅茨風機上裝設閉環(huán)控制方式的變頻系統(tǒng)；②在原工頻系統(tǒng)保留的基礎上結合變頻器相互作用；③采用本地、遠程控制相結合的監(jiān)控措施；④設置遠程控制和故障報警系統(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)電廠引羅茨風機上的應用與節(jié)能分析中指出：羅茨風機在變工況運行中，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，其運行能耗最低，節(jié)能效果最佳。他們提出在大功率設備上應用ASD6000S系列高壓大功率變頻器進行羅茨風機技術改造，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)是由多個功率模塊串聯(lián)起來，通過疊加了多個低壓功率模塊的輸出而匯總得到高壓輸出，具有諧波小、可靠性高等技術特點。

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