羅茨風(fēng)機 變頻 節(jié)能 改造：羅茨風(fēng)機變頻改造節(jié)能效益分析

　　原標(biāo)題：羅茨風(fēng)機變頻改造節(jié)能效益分析

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

　　泵與羅茨風(fēng)機是把機械能轉(zhuǎn)換為流體壓力能和動能的通用流體機械，在石化、冶金、電廠中使用非常普遍，例如，在熱電廠中，泵與羅茨風(fēng)機所消耗的電能幾乎占到廠用電的70～80%。提高泵與羅茨風(fēng)機的效率，合理進行節(jié)能技術(shù)改造，是企業(yè)節(jié)能減排的重要途徑。

　　變速調(diào)節(jié)技術(shù)是泵類和羅茨風(fēng)機普遍采用的一項重要的節(jié)能措施，變頻節(jié)能改造節(jié)能效益和節(jié)能量的計算是關(guān)系到項目是否具備改造可行性的關(guān)鍵因素。目前，對變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果的分析，多直接運用相似定律，與實測節(jié)能效果存在很大誤差。

　　本文擬分析相似定律的適用范圍，探討切合實際的節(jié)能量計算方法，最后通過相關(guān)改造項目檢驗其準確性。

　　2 泵與羅茨風(fēng)機的相似定律

　　根據(jù)流體力學(xué)原理，對同一臺泵與羅茨風(fēng)機，相似工況之間的性能參數(shù)關(guān)系為：

　　（1）

　　式中Q為流量;n為轉(zhuǎn)速;H對于泵為揚程，對于羅茨風(fēng)機為壓頭;N為功率。

　　如圖1，A1點的流量和揚程己知為QA1和HA1，任一與A1點相似的工況點參數(shù)為Q和H，則：

　　（2）

　　顯然這是一條過原點的拋物線，稱為相似曲線，與A1相似的工況全在這條線上。

　　相似定律的前提是調(diào)節(jié)前后工況必須相似，但泵運行時，大多存在靜揚程或背壓。此時，兩種轉(zhuǎn)速下的工況點不直接滿足相似定律。如圖1所示，管路特性曲線為h=hp+SQ2，原工況為A1，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n1。轉(zhuǎn)速改變?yōu)閚2之后，泵與羅茨風(fēng)機的工況點為E2，而轉(zhuǎn)速為n2時，與A1所對應(yīng)的相似工況為A2，顯然A2≠ E2。

　　該負荷下的節(jié)能率通過計算可表示為：

　　（3）

　　該方法在計算節(jié)能量時要知道泵與羅茨風(fēng)機的性能曲線、管路特性曲線，但這些數(shù)據(jù)在現(xiàn)場很難得到，因此，在實際改造項目中難以采用。

　　4 基于額定流量和額定功率的計算法

　　對羅茨風(fēng)機、水泵原采用閥門、擋板進行節(jié)流調(diào)節(jié)，后采用變頻調(diào)節(jié)，《泵與羅茨風(fēng)機節(jié)能技術(shù)》給出了一個節(jié)能量計算公式：

　　（4）

　　式中：PL、Q為水泵、羅茨風(fēng)機采用擋板調(diào)節(jié)流量時的電機輸入功率和流量;Pe為水泵、羅茨風(fēng)機額定功率，kW;Qe為水泵、羅茨風(fēng)機額定流量，m3/s。

　　當(dāng)流量的調(diào)節(jié)范圍在（0.5-1）Qe時，電機變頻調(diào)節(jié)相比節(jié)流調(diào)節(jié)的節(jié)電率k為：

　　（5）

　　式中ηb為調(diào)速機構(gòu)效率。

　　將式（4）帶入式（5），即可得到基于電機功率PL、Pe的變頻調(diào)速相對于節(jié)流調(diào)節(jié)的節(jié)電率計算公式：

　　（8）

　　5 實例計算

　　某熱電公司一次羅茨鼓風(fēng)機參數(shù)為：額定風(fēng)量m?/h，電機額定功率2400kW，風(fēng)門開度30～40%。

　　5.1 節(jié)電量計算

　　風(fēng)門開度為30%，羅茨風(fēng)機運行電流為107A，電機的功率為：

　　PL=1.732×10000×107×0.88=1630.85 kW;

　　羅茨風(fēng)機的額定功率與電機的額定功率差別較大，因為在設(shè)計時電機一般會根據(jù)軸功率考慮1.05～1.30的安全系數(shù)確定，所以用電機的額定功率除以安全系數(shù)作為風(fēng)門全開時的軸功率，這里取安全系數(shù)為1.25，則：Pe=2400/1.25=1920 kW

　　將PL和Pe帶入式（3-13），節(jié)電率為： k=27.14%。

　　節(jié)電量： ΔP=PL×k=1630.85 ×27.14%=442.61 kW

　　羅茨風(fēng)機在不同風(fēng)門開度下的節(jié)電情況統(tǒng)計如表1。

　　5.2 節(jié)電量計算結(jié)果驗證

　　表2和表3分別為工頻和變頻的實際抄表數(shù)值及平均每小時耗電量。

　　變頻后實際節(jié)電率=（1494-1162）/1494=22.22%

　　由實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算一次羅茨風(fēng)機變頻后的節(jié)電率為22.22%，與理論節(jié)能量計算結(jié)果（23.14%）大致相符，證明所提出的節(jié)能量計算方法是適用的。

　　6 總結(jié)

　　本文研究了泵與羅茨鼓風(fēng)機相似定律的適用性，提出了適用于實際項目節(jié)能評價的計算方法，并對項目實施后的節(jié)能情況進行統(tǒng)計，初步驗證了計算方法的可靠性，還需在后續(xù)類似項目中進一步驗證。

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羅茨風(fēng)機 變頻 節(jié)能 改造：羅茨風(fēng)機的變頻改造節(jié)能分析

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　　柳電公司#1、2爐給粉機變頻改造 李啟鵬;

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羅茨風(fēng)機 變頻 節(jié)能 改造：羅茨風(fēng)機的變頻節(jié)能改造.doc

　　羅茨風(fēng)機的變頻節(jié)能改造

　　摘 要：某卷煙廠除塵房羅茨風(fēng)機運行時，經(jīng)常出現(xiàn)欠載狀態(tài)，部分風(fēng)量經(jīng)旁路放空，造成能源嚴重浪費。通過分析了羅茨風(fēng)機變轉(zhuǎn)速工作特性和變頻調(diào)速控制的節(jié)能原理，對系統(tǒng)進行變頻節(jié)能改造。運行實踐表明，改造后風(fēng)機采用變頻調(diào)速控制運行，性能穩(wěn)定可靠，能夠獲得顯著的經(jīng)濟效益。

　　關(guān)鍵詞：羅茨風(fēng)機；變頻器；節(jié)能改造

　　一、前言

　　某卷煙廠除塵房主要負責(zé)生產(chǎn)車間機臺除塵和煙絲風(fēng)送，由除塵系統(tǒng)和集塵系統(tǒng)組成，系統(tǒng)采用布袋式除塵器，采用集中集塵并由負壓輸送至壓塵機處理。其中集塵器的負壓由兩臺22KW的羅茨風(fēng)機提供，一臺用于制絲線集塵，一臺用于卷包線集塵。原風(fēng)機額定功率的設(shè)計選型是根據(jù)工藝的最大流量來選擇的，按當(dāng)時的設(shè)計思路，風(fēng)機的選型一般在滿足工藝負荷工作條件下還要增加一定的裕量。但實際運行中，工藝的運行參數(shù)隨各種因素而發(fā)生變化，往往實際運行負荷要比設(shè)計的最大流量小得多，造成能源浪費的情況。

　　二、問題的提出

　　根據(jù)本系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，羅茨風(fēng)機實際使用的功率也僅為額定功率的70%--75%左右。，即所消耗的電能有20%～25%被浪費掉。因此，對羅茨鼓風(fēng)機進行節(jié)能改造有著顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效應(yīng)。

　　三、節(jié)能改造方法的確定

　　羅茨風(fēng)機屬容積回轉(zhuǎn)式風(fēng)機，其工作特點是當(dāng)轉(zhuǎn)速一定而壓力在允許范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié)時，流量的變動甚微，轉(zhuǎn)速和流量之間保持正比的關(guān)系。采用旁路調(diào)節(jié)法不能改變羅茨鼓風(fēng)機的吸氣量，所以風(fēng)機始終在滿負荷下運行，無法節(jié)能。而改變轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機吸氣量發(fā)生變化，其功率消耗也隨之改變。所以，對羅茨鼓風(fēng)機進行變速調(diào)節(jié)就可達到節(jié)能的目的，而調(diào)速方法也較多。若改為變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量，即能減少風(fēng)機電耗的浪費。

　　一）羅茨鼓風(fēng)機變轉(zhuǎn)速工作特性

　　1、流量特性

　　羅茨鼓風(fēng)機的理論流量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為

　　羅茨鼓風(fēng)機的實際流量為

　　由式（1）和式（2）可知，對每一臺具體的羅茨鼓風(fēng)機，其葉輪外徑、長度和面積利用系數(shù)都是一個定值，當(dāng)可忽略容積效率的變化時，羅茨鼓風(fēng)機的流量正比于轉(zhuǎn)速。

　　2、功率特性

　　羅茨鼓風(fēng)機的軸功率為

　　由式（1）和式（3）可知，當(dāng)羅茨鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速n變化時，其軸功率與轉(zhuǎn)速成正比。

　　3、 轉(zhuǎn)矩特性

　　羅茨鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)矩為

　　由于羅茨鼓風(fēng)機的軸功率與轉(zhuǎn)速成正比，因此由式（1）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)矩不變，即羅茨鼓風(fēng)機屬于恒轉(zhuǎn)矩運行。

　　二）變頻調(diào)速的工作原理

　　變頻器調(diào)速的原理是將交流順變成直流，平滑濾波后再經(jīng)過逆變回路，將直流變成不同頻率的交流電，使電機獲得無級調(diào)速所需的電壓和頻率，從而直接改變和控制電機的輸出軸功率。

　　羅茨風(fēng)機的驅(qū)動采用交流三相異步電動機，其轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系為[3]

　　由式（1）可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，只要改變頻率即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。因此，決定采用變頻調(diào)速技術(shù)對羅茨鼓風(fēng)機進行技術(shù)改造，不但可達到節(jié)能目的，同時也可提高裝置的自動控制水平。

　　四、羅茨風(fēng)機的變頻改造

　　一）、硬件設(shè)計

　　1、變頻器的選用

　　根據(jù)電機容量，選用丹佛斯FC300變頻器。

　　丹佛斯FC300系列變頻器的優(yōu)點：

　　（1） 調(diào)速范圍廣，機械特性硬，精度高，運行可靠；

　　（2） 磁通―電流控制（FCC）功能改善動態(tài)響應(yīng)特性，并且優(yōu)化電動機的控制；

　　（3） 控制不同的負載，具有相應(yīng)的V/F特性；

　　（4） 變頻器的PID調(diào)節(jié)器具有較高的品質(zhì)（參數(shù)自整定）可用于簡單的過程控制；

　　（5） 快速電流限制功能（FCL），避免運行中不應(yīng)有的跳閘；

　　（6）可實現(xiàn)電動機的過壓、欠壓、過熱等功能。

　　2、變頻器控制與調(diào)節(jié)

　　變頻器可通過在控制柜門“遠程/本地”開關(guān)的切換實現(xiàn)“遠程控制”與“本地控制”。“遠程控制”是在主控室內(nèi)上位機與變頻器進行數(shù)據(jù)通信，操作人員可通過觸摸屏的畫面對風(fēng)機和變頻器的工作電流、頻率、轉(zhuǎn)速以及啟動、停止、故障等狀態(tài)進行實時監(jiān)控。同時操作人員根據(jù)工藝或外界條件的變化，通過改變變頻器的頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

　　另外，在風(fēng)機房內(nèi)還裝有一個本地控制的機旁操作箱，在風(fēng)機出現(xiàn)故障時可在電機旁進行操作。為了保證生產(chǎn)的連續(xù)運行，在變頻器出現(xiàn)故障后，可將故障變頻器通過旁路柜隔離，風(fēng)機電動機可切換為工頻運行或啟、停控制。

　　二）、PLC與變頻器通訊的實現(xiàn)

　　原除塵系統(tǒng)的配置為：1套PLC主站（S7-300，315-2DP），1個MP 270觸摸屏，現(xiàn)將兩臺羅茨風(fēng)機的Danfoss FC300變頻器通過現(xiàn)有的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)進行PL

羅茨風(fēng)機 變頻 節(jié)能 改造：羅茨風(fēng)機的變頻節(jié)能改造

　　原標(biāo)題：羅茨風(fēng)機的變頻節(jié)能改造

　　山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨風(fēng)機、羅茨鼓風(fēng)機、回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機等水產(chǎn)養(yǎng)殖曝氣設(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)品雙油箱羅茨鼓風(fēng)機、水冷羅茨鼓風(fēng)機、油驅(qū)羅茨鼓風(fēng)機、低噪音羅茨鼓風(fēng)機，贏得了市場好評和認可。產(chǎn)品和服務(wù)遠銷全國各地及東南亞，深受客戶好評。

　　某卷煙廠除塵房主要負責(zé)生產(chǎn)車間機臺除塵和煙絲風(fēng)送，由除塵系統(tǒng)和集塵系統(tǒng)組成，系統(tǒng)采用布袋式除塵器，采用集中集塵并由負壓輸送至壓塵機處理。其中集塵器的負壓由兩臺22KW的羅茨風(fēng)機提供，一臺用于制絲線集塵，一臺用于卷包線集塵。原風(fēng)機額定功率的設(shè)計選型是根據(jù)工藝的最大流量來選擇的，按當(dāng)時的設(shè)計思路，風(fēng)機的選型一般在滿足工藝負荷工作條件下還要增加一定的裕量。但實際運行中，工藝的運行參數(shù)隨各種因素而發(fā)生變化，往往實際運行負荷要比設(shè)計的最大流量小得多，造成能源浪費的情況。二、問題的提出根據(jù)本系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，羅茨風(fēng)機實際使用的功率也僅為額定功率的70%--75%左右。，即所消耗的電能有20%～25%被浪費掉。因此，對羅茨鼓風(fēng)機進行節(jié)能改造有著顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效應(yīng)。三、節(jié)能改造方法的確定羅茨風(fēng)機屬容積回轉(zhuǎn)式風(fēng)機，其工作特點是當(dāng)轉(zhuǎn)速一定而壓力在允許范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié)時，流量的變動甚微，轉(zhuǎn)速和流量之間保持正比的關(guān)系。采用旁路調(diào)節(jié)法不能改變羅茨鼓風(fēng)機的吸氣量，所以風(fēng)機始終在滿負荷下運行，無法節(jié)能。而改變轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機吸氣量發(fā)生變化，其功率消耗也隨之改變。所以，對羅茨鼓風(fēng)機進行變速調(diào)節(jié)就可達到節(jié)能的目的，而調(diào)速方法也較多。若改為變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量，即能減少風(fēng)機電耗的浪費。一）羅茨鼓風(fēng)機變轉(zhuǎn)速工作特性1、流量特性羅茨鼓風(fēng)機的理論流量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為羅茨鼓風(fēng)機的實際流量為由式（1）和式（2）可知，對每一臺具體的羅茨鼓風(fēng)機，其葉輪外徑、長度和面積利用系數(shù)都是一個定值，當(dāng)可忽略容積效率的變化時，羅茨鼓風(fēng)機的流量正比于轉(zhuǎn)速。2、功率特性羅茨鼓風(fēng)機的軸功率為由式（1）和式（3）可知，當(dāng)羅茨鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速n變化時，其軸功率與轉(zhuǎn)速成正比。3、 轉(zhuǎn)矩特性羅茨鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)矩為由于羅茨鼓風(fēng)機的軸功率與轉(zhuǎn)速成正比，因此由式（1）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)矩不變，即羅茨鼓風(fēng)機屬于恒轉(zhuǎn)矩運行。二）變頻調(diào)速的工作原理變頻器調(diào)速的原理是將交流順變成直流，平滑濾波后再經(jīng)過逆變回路，將直流變成不同頻率的交流電，使電機獲得無級調(diào)速所需的電壓和頻率，從而直接改變和控制電機的輸出軸功率。羅茨風(fēng)機的驅(qū)動采用交流三相異步電動機，其轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系為[3]由式（1）可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，只要改變頻率即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。因此，決定采用變頻調(diào)速技術(shù)對羅茨鼓風(fēng)機進行技術(shù)改造，不但可達到節(jié)能目的，同時也可提高裝置的自動控制水平。四、羅茨風(fēng)機的變頻改造一）、硬件設(shè)計1、變頻器的選用根據(jù)電機容量，選用丹佛斯FC300變頻器。丹佛斯FC300系列變頻器的優(yōu)點：（1） 調(diào)速范圍廣，機械特性硬，精度高，運行可靠；（2） 磁通―電流控制（FCC）功能改善動態(tài)響應(yīng)特性，并且優(yōu)化電動機的控制；（3） 控制不同的負載，具有相應(yīng)的V/F特性；（4） 變頻器的PID調(diào)節(jié)器具有較高的品質(zhì)（參數(shù)自整定）可用于簡單的過程控制；（5） 快速電流限制功能（FCL），避免運行中不應(yīng)有的跳閘；（6）可實現(xiàn)電動機的過壓、欠壓、過熱等功能。2、變頻器控制與調(diào)節(jié)變頻器可通過在控制柜門“遠程/本地”開關(guān)的切換實現(xiàn)“遠程控制”與“本地控制”。“遠程控制”是在主控室內(nèi)上位機與變頻器進行數(shù)據(jù)通信，操作人員可通過觸摸屏的畫面對風(fēng)機和變頻器的工作電流、頻率、轉(zhuǎn)速以及啟動、停止、故障等狀態(tài)進行實時監(jiān)控。同時操作人員根據(jù)工藝或外界條件的變化，通過改變變頻器的頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。另外，在風(fēng)機房內(nèi)還裝有一個本地控制的機旁操作箱，在風(fēng)機出現(xiàn)故障時可在電機旁進行操作。為了保證生產(chǎn)的連續(xù)運行，在變頻器出現(xiàn)故障后，可將故障變頻器通過旁路柜隔離，風(fēng)機電動機可切換為工頻運行或啟、停控制。二）、PLC與變頻器通訊的實現(xiàn)原除塵系統(tǒng)的配置為：1套PLC主站（S7-300，315-2DP），1個MP 270觸摸屏，現(xiàn)將兩臺羅茨風(fēng)機的Danfoss FC300變頻器通過現(xiàn)有的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)進行PLC和變頻器的通訊，變頻器通過PROFIBUS-DP來實現(xiàn)電機的啟/停和調(diào)速控制，并把變頻器的實際運行狀態(tài)通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)輸送并顯示在觸摸屏MP 270，從而達到對羅茨風(fēng)機的運行控制目的。五、系統(tǒng)調(diào)試及運行效果一）系統(tǒng)改造后的調(diào)試完成羅茨風(fēng)機變頻器改進安裝后，并投入系統(tǒng)運行前的調(diào)試，目的主要是檢查所選擇的變頻器性能、改進方案的功能是否達到設(shè)計要求以及滿足實際生產(chǎn)需要。經(jīng)調(diào)試，變頻器性能運行非常穩(wěn)定，達到設(shè)計要求。二）運行效果變頻器經(jīng)過一個月試運行及投入正常使用后，從實際運行來看，變頻運行狀態(tài)比較穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。設(shè)備方面由于變頻具有軟啟動功能避免了電機啟動時對電機的沖擊損害，轉(zhuǎn)速的降低，對風(fēng)機的葉輪、軸承等壽命得以延長，設(shè)備運行狀況良好。1、節(jié)能效益制絲集塵風(fēng)機的運行實際工頻大約為42HZ，工作電流為32A；卷包集塵風(fēng)機運行實際工頻大約為40HZ，工作電流為34A。根據(jù)測定數(shù)據(jù)可計算有功功率，其公式：P=1.732×U×I×cosα改造前：P1=1.732IV cosα=1.732×380×45×0.85=25.17kW制絲集塵改造后：P2=1.732×380×32×0.85=17.90KW卷包集塵改造后：P3=1.732×380×34×0.85=19.02KW每小時節(jié)電P節(jié)約=2× P1- P2- P3=13.43kW車間每天兩班生產(chǎn)，工作時間16小時，一個月生產(chǎn)天數(shù)20天，一個月可節(jié)約電能4296.47 kW。2、設(shè)備影響（1） 避免了電動機啟動時對電機的沖擊損害及對電網(wǎng)的沖擊；（2） 提高了羅茨風(fēng)機的自動控制能力；（3） 減少了羅茨風(fēng)機及其消聲器等的機械振動、噪聲和沖擊；（4） 由于轉(zhuǎn)速的降低，羅茨風(fēng)機的葉輪、軸承等壽命得以延長。六、結(jié)束語變頻器控制技術(shù)用于羅茨風(fēng)機控制達到顯著的節(jié)電效果，提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備維護、維修費用，經(jīng)濟效益十分明顯。

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