羅茨風(fēng)機(jī)的變頻改造節(jié)能分析*

馮東升， 張金輝， 張智華

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

羅茨風(fēng)機(jī)在冶金、建材、化工、紡織等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，目前不使用變頻器的羅茨風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要是讓電機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，采用羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)出風(fēng)閥門調(diào)節(jié)，將壓力控制在一定范圍，從而實(shí)現(xiàn)流量控制。這種方式不僅操作不便且浪費(fèi)大量電能，在能源日趨緊張的局勢下，勢必要對其進(jìn)行變頻改造。

1 羅茨風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)

交流變頻調(diào)速技術(shù)是迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，由于具有其他眾多調(diào)速方式無可比擬的優(yōu)越性，從而成為交流電機(jī)調(diào)速控制的首選方式，其主要優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)可實(shí)現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，精度高，范圍寬(0～100%)，效率高達(dá)95%以上;

(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大(可限定在額定值的1～1.25倍)，起動(dòng)電流小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)且運(yùn)行平穩(wěn);

(3)安裝容易，調(diào)速方便，操作簡單，容易與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)銜接;

(4)可靠性高，且有過流、過壓、欠壓、過載等多種保護(hù)功能。

2 羅茨風(fēng)機(jī)的特性

羅茨風(fēng)機(jī)為容積式風(fēng)機(jī)，如圖1所示，輸送的風(fēng)量與轉(zhuǎn)數(shù)成比例，三葉型葉輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一次由2個(gè)葉輪進(jìn)行3次吸、排氣，在2根平行的軸上設(shè)有2個(gè)三葉型葉輪，輪與橢圓形機(jī)箱內(nèi)孔面及各葉輪三者之間始終保持微小的間隙，由于葉輪互為反方向勻速旋轉(zhuǎn)，使箱體和葉輪所包圍著的一定量的氣體由吸入的一側(cè)輸送到排出的一側(cè)。各支葉輪始終由同步齒輪保持正確的相位，不會(huì)出現(xiàn)互相碰觸現(xiàn)象，因而可以高速化，不需要內(nèi)部潤滑，而且結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)小，噪聲低，性能穩(wěn)定，適應(yīng)多種用途，已廣泛運(yùn)用。

羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的最大特點(diǎn)是其容積回轉(zhuǎn)特性，可以近似認(rèn)為風(fēng)機(jī)所能達(dá)到的最大壓力與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即不同轉(zhuǎn)速下所能達(dá)到的最大壓力維持不變，流量與轉(zhuǎn)速成正比。因此，將羅茨風(fēng)機(jī)看成恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

圖1 羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理示意圖

3 羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造效果分析

由于羅茨風(fēng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，相應(yīng)的羅茨風(fēng)機(jī)系統(tǒng)屬于典型的恒壓輸出系統(tǒng)，因此恒壓控制后系統(tǒng)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩變流量狀態(tài)。

在采用變頻調(diào)速，且系統(tǒng)流量需減小時(shí)，降低羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使羅茨風(fēng)機(jī)在規(guī)定壓力下低流量點(diǎn)運(yùn)行。羅茨風(fēng)機(jī)的輸入功率與流量成近似線性關(guān)系，如圖2所示。因此，羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后的節(jié)能效果主要決定于所運(yùn)行流量的大小，羅茨風(fēng)機(jī)的耗電量與流量成正比。

圖2 羅茨風(fēng)機(jī)恒壓變流系統(tǒng)減速運(yùn)行的功率消耗圖

對于全速工頻運(yùn)行的系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，則進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻增加，使輸入的風(fēng)壓降低，產(chǎn)生大量的電能浪費(fèi);若采用輸出排風(fēng)方法調(diào)節(jié)輸出流量，排出的風(fēng)也同樣浪費(fèi)，造成電能的浪費(fèi)。因此，采用變頻恒壓控制改造后可降低羅茨風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，減少電消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

系統(tǒng)改造后還可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)、軟停止，減少系統(tǒng)起動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊，減少系統(tǒng)起動(dòng)次數(shù)，運(yùn)行平穩(wěn);由于羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的降低，減少了機(jī)械磨耗，延長了電機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)的使用壽命。

系統(tǒng)若采用壓力閉環(huán)控制方案改造，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，真正實(shí)現(xiàn)無人值守。

4 羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造后節(jié)能量計(jì)算

目前羅茨風(fēng)機(jī)在應(yīng)用時(shí)，調(diào)節(jié)方式有兩種，一種是羅茨風(fēng)機(jī)的輸入口有閥門調(diào)節(jié)或輸入流量受限制造成流量不均衡，另一種是采用輸出側(cè)直接放風(fēng)的方式。在這里對兩種方式分別進(jìn)行變頻改造節(jié)能效果分析。根據(jù)羅茨風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性，由于羅茨風(fēng)機(jī)效率較高，這里忽略損耗。

4.1 基本計(jì)算公式

式中:PW——風(fēng)機(jī)消耗的電功率;

U——電壓;

cos φ——功率因素;

Q——流量;

η——風(fēng)機(jī)效率;

I——電流;

P——壓力;

k——常數(shù)。

4.2 輸入側(cè)調(diào)節(jié)方式變頻改造節(jié)能分析計(jì)算

對于羅茨風(fēng)機(jī)的應(yīng)用場合來說，工藝要求壓力、流量恒定。由于改造前采用進(jìn)風(fēng)口閥門調(diào)節(jié)，降低了輸入的風(fēng)壓，因此羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的壓差保持不變:

采用變頻調(diào)速后要保證流量不變，但由于羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)壓力升高，進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的壓差變小，根據(jù)式(2)可知，羅茨風(fēng)機(jī)的消耗功率將隨壓力增加量的降低而降低，因此節(jié)電率為

式中:PW節(jié)流——節(jié)流運(yùn)行時(shí)的電功率;

Py節(jié)流——節(jié)流運(yùn)行時(shí)的壓差;

PW變頻——變頻運(yùn)行消耗的功率;

Py變頻——變頻運(yùn)行時(shí)的壓差。

根據(jù)理想狀態(tài)方程，假定節(jié)流不影響輸入風(fēng)的溫度，則閥門開放的面積比等于進(jìn)風(fēng)壓力比，即

式中:S節(jié)流——節(jié)流運(yùn)行時(shí)的閥門開放截面積;

S——進(jìn)風(fēng)管截面積。

因此，由式(4)、(5)可得:

4.3 輸出側(cè)調(diào)節(jié)方式變頻改造節(jié)能分析計(jì)算

系統(tǒng)在工頻下運(yùn)行，由于改造前采用出口放風(fēng)閥門來調(diào)節(jié)，因此可認(rèn)為羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行在額定工作狀態(tài)。采用變頻調(diào)速后要保證使用流量不變，關(guān)閉排風(fēng)閥門后，羅茨風(fēng)機(jī)的消耗功率與額定流量的比值為

式中:Pe——工頻運(yùn)行時(shí)的電功率;

P變頻——變頻運(yùn)行消耗的功率;

Qy——生產(chǎn)線需要的流量;

Qe——羅茨風(fēng)機(jī)的額定流量。

因此節(jié)電率為

在實(shí)際計(jì)算時(shí)，一般很難得到需要的流量數(shù)值，因此通過上述計(jì)算方法很難計(jì)算出節(jié)電率，但很容易得到輸送管道的管徑、排風(fēng)管的管徑和排放管閥門的開度，因此可得到:

式中:Dy——羅茨風(fēng)機(jī)輸出管管徑;

Dp——排風(fēng)管管徑;

Kp——排放管閥門開度。

在上述計(jì)算中未考慮系統(tǒng)損耗等情況，以上是理論計(jì)算值，實(shí)際工況比上述計(jì)算復(fù)雜得多，因此節(jié)能率要比計(jì)算值低些。

5 水泥廠羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造實(shí)例

某立窯水泥廠，生產(chǎn)線上的羅茨風(fēng)機(jī)是主要的耗能設(shè)備，其風(fēng)量是按工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)的。以前的水泥廠通過采用調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口或放風(fēng)口擋板開起度的方法來滿足工藝要求。由于該方法是以增大風(fēng)阻或犧牲風(fēng)機(jī)效率來達(dá)到要求的，即以增大耗能為代價(jià)取消風(fēng)量的粗調(diào)，同時(shí)過剩的風(fēng)量向空中排放，又加重了環(huán)境污染，諸多弊端一直困擾著每一家水泥廠。

5.1 現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)參數(shù)

現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)參數(shù)分別如表1、2所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

表2 羅茨風(fēng)機(jī)參數(shù)

5.2 選用變頻器時(shí)的有關(guān)要求

羅茨風(fēng)機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，在選配羅茨風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置時(shí)，應(yīng)避免選用離心風(fēng)機(jī)、水泵等專用的變頻調(diào)速器，而應(yīng)選用恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載類的通用變頻調(diào)速器。選用變頻器拖動(dòng)的主要目的是按需要的用風(fēng)量合理調(diào)節(jié)壓力的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓節(jié)能運(yùn)行。按配套電動(dòng)機(jī)額定電流選用變頻器，變頻器要有內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能和4～20 mA或0～10 V模擬信號接口，使用地點(diǎn)的電壓變動(dòng)率要在變頻器允許輸入電壓范圍內(nèi)。

5.3 變頻改造技術(shù)方案

改造方案采用變頻器對羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，變頻運(yùn)行時(shí)人工給定信號，變頻器自動(dòng)增加或減少電機(jī)運(yùn)行頻率，改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。在變頻改造時(shí)，保留原系統(tǒng)起動(dòng)柜不變，只需要將起動(dòng)裝置的進(jìn)線和出線與變頻裝置開關(guān)柜連接，當(dāng)變頻裝置需要檢修或因?yàn)楦鞣N原因不能正常工作時(shí)，系統(tǒng)可切換到通過原有的起動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，保證生產(chǎn)。系統(tǒng)原理示意圖如圖3所示。

圖3 變頻兩組聯(lián)合控制方案示意圖

5.4 節(jié)能效果分析計(jì)算

(1)直接節(jié)電效果分析。

按上文分析可按如下公式計(jì)算節(jié)電率:

變頻改造運(yùn)行后，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際消耗功率的測試數(shù)據(jù)計(jì)算出系統(tǒng)節(jié)電率達(dá)到23.6%，與計(jì)算值較為接近，可見變頻改造確實(shí)可以有明顯的節(jié)能效果，并且節(jié)能分析預(yù)估算對制定節(jié)能方案具有指導(dǎo)意義，十分必要。

(2)間接經(jīng)濟(jì)效益分析:變頻軟起動(dòng)節(jié)省電能，并減少了維修費(fèi)用，操作便捷，節(jié)省了勞動(dòng)力等。

6 結(jié)語

羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造時(shí)應(yīng)按恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載考慮，實(shí)例表明，對羅茨風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速，具有調(diào)速性能好、改造方便、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，可以普遍推廣到羅茨風(fēng)機(jī)的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

［1］馮垛生，張淼.變頻器應(yīng)用與維護(hù)［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2001.

［2］上海市經(jīng)委節(jié)能辦公室.風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能手冊［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.