关于风机变频改造的节能计算

风机变频调速节能改造分析及节能预算摘要：以变频调速改造來达到调节工业工程生产所需风量成为目前实现电机节能 的一种主要途径。当我们进行变频节能改造时.投入和收益、投资回收期是必须 认真考虑的一一特别是对于做MEC模式的节能服务公司o收益就涉及到节能量的 计算问题，在变频器未投运之前，计算节能最是比较困难的。本文通过分析变频 节能的原理及分析，介绍了针对阀门及液力耦合器调节调节流量系统的变频改造 的节能预算的一些思考及方法。前言在工业生产、发电、居民供暖、产品加工制造业中，风机类设备应用范围广 泛，其电能消耗和诸如阀门、挡板、液力耦合器等相关设备的节流损失以及维护、 维修费用约占到生产成本的7沧25%,是一笔不小的生产费用开支。随着经济改 革的不断深入，以及能源的危机，节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质 量的重要手段变频调速因其调速效率高.功率因数高，调速范围宽，调速 精度高等优势，乂可以实现软起动，减少电网的电流冲击及设备的机械冲击，延 长设备使用寿命，对于大部分采用笼型异步电动机拖动的风机，变频调速不失为 目前最理想的调速节能方案。一、变频器节能的调速实质和原理节约能源最根本的方法就是要提高能源的利用率，所谓的“节能”，不仅仅 是节省能耗，还包括不浪费能源，用一句最简单的话说就是：“需要多少，就提 供多少!”变频器本身不是发电机。在变频器应用到风机等平方转矩负载的工业场合 中，其节能原因不是由变频器本身带来的，而是通过变频器的调速特性来减小风 机输出流量以适应工况中的实际所需流量。叶片式风机的负载特性属于半方转矩型，其功率等于即其轴上需要提供的 转矩与转速的二次方成正比。风机在满足三个相似条件：儿何相似、运动相似和 动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机，当输送的流体密度P不变仅 转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：Q（流最）与n（转速）的一次方成 正比：扬程H （压力）与转速的二次方成正比；P（轴功率）则与转速的三次方成 正比。即：风机转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出，如图1所 示。因管路阻力曲线不随转速变化而变化，故当转速由Q1变至Q2时，运 行工况点将由A点变至C点。图1、风机流量、压力特性上图中，曲线、为风机在不同阻力下的特性曲线。曲线、为工频、 变频状态下的流量与压力关系曲线。风机工作在A点时，轴功率P1等于Q1,H1 的乘积，即与图中面积AQ10H1A成正比。若要将流量丛Q1降到Q2时，如用 阀门调节，则工作点由A移动到B点，流量下降，压力上升，轴功率減少不多; 若采用变频调速，则工作点由A移动到C ,在满足同样流量Q2的情況下，压 力也下降，轴功率大大降低。故变频器节能的实质是调速引起的流量变化来产生 的。在工业设计过程中，一般要考虑建设前，后长期工艺要求的差异，使裕帚过大。如火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的鼓风机，引风机的风最裕度分别为 5%和510%,风斥裕度为10%和10%15%o另外，设计过程中很难计算管网的 阻力，并考虑长期运行过程中可能发生的各种问题（比如水泥工况中，由于物料、 湿度等不同工况需求），通常总把系统的最大风帚和风圧裕量作为选型的依据， 但风机的系列是有限的，往往选不到合适的风机型号就往上靠，大2030%的 比较常见。在实际工作时，再采用调流设备來实现实际所需的流量。以前绝大部分风机都采用风门挡板调节流量，造成大最的节流损耗，所以风 机若采用转速调节，具有巨大的节能潜力。直到上世纪七十年代，都采用机械调 速或滑差电机调速，但这属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗，并且驱动功 率受到限制：到上世纪八十年代，开始采用液力耦合器调速，并且突破了驰动功 率的限制，向大功率方向发展，但它与滑差电机调速一样，屈于低效调速方式， 仍有较大的能量损耗。直到上世纪九十年代，随着电力电子技术和计算机控制技 术的发展，变频器很快占领电动机调速市场，在我国各工业生产中，各类和风机 的用电量占用电量的大半部分，例如引风机、送风机、一次风机、循环、凝结、 给、灰渣（浆）、排粉机等等，尤其是风机的裕量明显过大，如果采用挡板调节, 即使在机组满负荷输出的挡板开度也饺小。而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。二、风机变频节能预算方法如果用变频器对风机设备进行调速控制，不盂耍再用阀门、挡板进行节流调 节，将阀门、挡板开到最大，管路阻尼最小，能耗也大为减少。节能量可用GB12497三相异步电动机经济运行强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，即:Pl0.45 + 0.55 (1)其中：pL为变频器改造后风机所需输入功率，单位为kW；&为达到风机额定流最时所需输入功率，单位为kW；Q为丈际所盂流星，单位为；2为风机额定流量，单位为m3/li；然而，在实际工业现场中，由于流最计的价格昂贵以及工况环境的恶劣原因, 很多都没有在风机管路中配置流量计，即使有配置的场合也常常处于损坏状态。 不能方便的得到准确具体的流量数据。因此，我们在实际的变频改造中常采用三 种方法来求出流量比。设流最比为K,则有：k2Qn（1）方法1：由流体力学可知，流量等于风速乘以管道的截面积。对于同 一个风系统的同一个测点，其管道截面积无疑是相同的。则有：=（3）Qn戌故我们采用便携式风速仪在管道中可测出管道风速比，从而得知流量 比。（2）方法2：由风机的相似定律可知：Q（流量）与1】（转速）的一次方成正比; 扬程H （压力）与转速的二次方成正比。则有：汽:玮4,故我们可通过实际压力与额定压力比求出流量比。（3）方法3：根据调节阀的流最特性来估算流最比。调节阀的流最特性是 指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。 调节阀的流最特性包括理想流量特性和工作流最特性。理想流量特性 是指在调节阀进出口斥差固定不变情况下的流量特性，有直线、等白 分比、抛物线及快开4种特性。这种方法需要用户提供实际使用阀门 的阀门特性图。求出变频改造后的实际功率后，则可根据式（5）算出变频改造后的节电率入认Pi其中 0.9为保险系数 三、液力耦合器调速风机变频改造节能预算方法液力耦合器是一种以液体（多数为油）为匸作介质、利用液体动能传递能量 的一种叶片式传动机械。调速型液力耦合器主要由轮、涡轮、旋转外套和勺管组 成。只要改变工作腔内工作油的充满度，亦即改变循环圆内的循环油最，就可以 改变液力耦合器所传递的转矩和输出轴的转速，从而实现了电动机在定速旋转的 情况下对风机或的无级变速。在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等时，液 力耦合器的调速效率等于调速比。当液力耦合器工作时的转速比越小，其调速效 率也越低，这是液力耦合器的一个重要工作特性。由上可知，液力耦合器能够实现无极调速。根据风机特性，其需要的输入功 率与转速有立方关系。故其也是能够节能的。然而。液力耦合器的调速效率等于调速比。液力耦合器在带动风机负载调速 工作时，转速比越小，其调速效率越低，转差功率损耗也越大：所以液力耦合器 属低效调速装置。电动机本身功率损耗除外，无论是变频调速还是液力偶合器调速，均存在额 外的功率损耗，液力偶合器从电动机输出轴取得机械能，通过液力变速后送入负 载，其效率不可能为1:变频器从电网取的电能，通过逆变后送入电动机电枢， 其效率也不可能是1。而且在全转速范用内，两种方式的效率曲线也不一样。如 图2所示“两种调速方式效率曲线”为典型的液力偶合器和变频器的效率一转速 曲线，随着输出转速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低（例如：额定转 速时效率0.97, 75%转速时效率约0.7, 20%转速时效率约0.18）。变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和 频率，除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不变外，电力电子器件的损耗基 本上与输出功率成正比，因此变频调速可以在全转速范圉内保持较高效率运行。 从图2曲线数据看，当输出转速降低时，液力偶合器的效率比变频调速的效率下 降快得多，因此变频调速的低速特性比液力耦合器要好。效率/1.00,90.80.70.60.50.40.30.20.1变频调速敖偶合器效率1 2 3 *4 5 6 7 8 9 1 显转速比图2变频与液力耦合器效率曲线由上面的分析可知：液力耦合器与变频器的节能差异在F其效率的不同。因 此，由于液力耦合器的调速效率等于调速比，而变频器的效率在94%97%, 所以用变频器代替液力耦合器的节电率的计算就变得十分简单了：节电率二1 一变频器损耗一调速比+液力耦合器的机械损失和容积损失等 于额定传动功率的3%4% （取3.6%） /调速比。也就是“节电率二变频器效率一调速比+3. 6% Pec/调速比”。一般可 以认为变频器的损耗和液力耦合器的机械损失和容积损失相当，则节电率的计算 可以简化为：节电率二100% 调速比如果要保留液力耦合器的话，节电率=变频器效率一调速比一液力耦 合器的机械损失和容积损失等于额定传送功率的3%4%（取3. 6%）/调速比一液力耦合器因为丢转而损失的效率约3%4%/调速比。为了与上式有可比性， 均按实际传送功率的45%计算的话，则节电率的计算也可以简化为：节电率二100% 调速比一（1215%）四、变频调速节能计算时需考虑变频器的效率GB12668定义变频器为转换电能并能改变频率的电能转换装置。能星转换过 程中必然伴随着损耗。在变频器内部，逆变器功率器件的开关损耗最大，其余是 电子元器件的热损耗和风机损耗，变频器的效率一般为95%-96%,因此在计算变 频调速节能时要将变频器的4%-5%的损耗考虑在内。如考虑了变频器的损耗本文 例1中计算的节能率，就不是36%,而应该为31%-32%,这样的计算结果与实际 节能率更为接近。五、结语一般情况下，变频器用F50Hz调速控制。不管是平方转矩特性负载，还是 恒转矩特性负载，调速才能节能，不调速在工频下运行是没有节能效果的。有时 系统功率因数很低，使用变频器后也有节能效果，这不是变频调速节能，而是补 偿功率因数带來的节能。本文所述的对变频调速节能计算方法有极好的实用性。附录山变频改造节能预算方法（XXXX公司）离心风机节电率计算方法：1. 电机工频运行电动机功率 = 1.732*实际电压*实际电流*电机功率因数2. 变频器运行时的电机效率【变频器的功率因数二0.96】A. 【如果是用负压此时风门全开计算】电机效率n =（岳麻/额定压）3/0,96B. 【如果是用风门开度计算】电机效率n =（风量）3/o. 96根据表1杳出【风量】及【入口门控制】或【出口门控制】的值Pe 其中风量是个白分比值，入口门控制或出口门控制是轴功率百分比值3. 变频器功率儿二（Wc / A） *q，如果是风门全开的，则Pe=l4. 节电功率Wj = Wc - WB5. 节电率二Wj/Wg6. 年节电量二节电率*时间7. 年节约电费二年节电量*电价以用负压计算为例：额定电圧为9.75KV,运行电流为42A,工频时最大负压为 2900,变频运行负床为2600o电机功率因数为0. 85o那么电机工频运行电动机功率为：1. 732*9. 75*0. 85*42=602. 8电机效率：（J 2600/2900 ） 3 /0. 96=89%节电率：100% - 89% 二 11%变频器功率为：602. 8*0. 89=536. 5602. 8-536. 5=66. 3年节电电费为：330*24*66. 3*0. 5二26. 26万元表1.离心式风机系统在不同风量（风门开度）和不同控制方式时的风机轴功率风门开度（）风量（Qe）入口门控制（Pe）出口门控制（Pe）102C52 %60 %153054 %67 %204056 %74 %255C58 %81 %305860 %85 %356563 %89 %407165 %91 %457768 %93 %508171 %94 %558373 %95 %608575 %96 %658778 %97 %708980 %97.5%759183 %98 %809386 %98. 5%859590 %99 %909795 %99.5%959998 %99. 8%100100100 %100 %附录2：变频改造节能预算方法（XXXX公司）一、变频改造前风机的运行匚况1、风机进口调节：流量减少，压力也减少，如下图（易产生汽蚀，很少用）2、风机出口调节：流最减少，压力增大，如下图 风机一般采用进口风门调节，一般采用出口阀门调节，采用进口调 节容易产生气蚀进口调节比同种工况下用出口调节，在变频改造时对节能星计算不 利 风机静扬程一般为0,的静扬程一般不为03、改造前电机功率实际运行的功率采用P= Vspcoso计算得岀，因功率因数的取值有一定偏差而造成较大误差，铭牌功率因素是指额定工况下功率因素，因实际运行功 率大多数小于额定电流，功率因素应小于额定功率因素，一般讲，电流在50% 额定时，功率因素在0.7左右。二、节能计算：1、够提供工作特性HQ曲线和管路阻力莊线仑为工频运行时额定流量，&为实际工况流量，以下为变频改造前后负载 耗能分析（以下均不考虑电机和风机效率）。图中，曲线1为管路阻力曲线，曲线2为转速恒定时（一般为额定转速）的H Q曲线，曲线3为B点相似工况曲线。如图，当流量从Q1降到Q3时，减小阀门开度，工作点从A点移到D点， 忽略机和电机效率变化，电机功率由宅佝。变化到SqjAH.。，变化不明显。采用变频调速以后，根据管路阻力曲线1得知的工作点将从A（G,禺） 变为B （G,幺），求岀B点的相似工况曲线3,得出曲线3和曲线1的交点C （G,禺），C点即为B点在额定转速下的相似工况点。由于相似工作点的特性知扬程和流量的二次方成正比，所以曲线3为HKQ，根据工作点b得到由比率定律，得到B点的转速所以此时电机输出功率%2)式中只为工作点c的电机功率。节省功率为4=d-(%)3*-4為严中(3%-4%)(当计算变频改造后功率较大时，取3%,较小时取4%,下同)P=(Q/ )3* z?P=(Q/ )3* Z7计算误区：调速后的电机输岀功率为/Q2 ,而并非3 /QI A。除以上曲线外所需采集的现场基木数据有：电机与的名牌，工况额定流量 和实际流量。2、缺少工作特性HQ曲线和管路阻力曲线阀门a如上图所示，P m , P“分别为改造前后的功率，且存在以下关系:_ QMH1 _ P2 - PP如 Q*AH2 PP现场所需采集慕本数据有进口、阀门前以及阀门后压力。三、风机节能计算1、 有风最大小参数额定工况点风量为g,实际工况点风量为G，额定流最点对应功率牛(0. 8-0.9) *,改后功率 =f1皆实际节能二為-盛-也為广严(3%-4%)(当计算变频改造后功率较大时，取3%,较小时取4%,下同）所需采集的现场皐本数据：风机进口和出口的床力，额定和实际风量大小, 电机和风机的名牌参数。2、无风量大小参数不能采集现场风量大小参数，可根据风门开度大小以及我公司总结的多家电 厂变频改造节能经验可以依据下表预算节电率。序号风门开度风量变频改造节能率1100%85%100%0%280%95%5%375%88%12%470%83%17%565%77%22%660%74%25%755%70%28%850%65%32%945%60%35%1040%57%38%1135%53%40%1230%47%44%1325%42%46%1420%38%52%1515%33%55%1610%0%30%60%四、已采用液力偶合器调速的风机根据液偶的输入转速,输出转速空，可得节能率耳二也二空-“，“为变频器效率，一般取3%4%。3