风机变频节能及节能预算方法的研究.pdf

第1期 山 西 焦 煤 科 技 No. 1 2008年1月 Shanxi Coking Coal Science PLC ;节能预算 “ 十五 ” 以来,随着我国国民经济取得可喜的成 绩,我国能源日益紧张,能源从2001年开始制约我国 国民经济的发展, 2006年中央提出把节约资源作为 基本国策,在我国第二产业 工业在能源消耗中占据 比重较大,因此,节能已成为工业发展的重中之重。 据中国电工学会统计,风机、 水泵作为同一类负载,其 耗电量占工业用电量近一半,占全国总发电量的 31,且绝大部分工作在变流量情况下,节能潜力巨 大,因此,做好风机、 水泵的节能已成为工业节能重 点。 1 风机的节能途径 1. 1 风机性能分析 风机的性能曲线是指在一定的转速下风压P、 功 率N轴功率、 效率η与流量Q的关系曲线,风机作 为一种流性机械,其性能曲线复杂多变。要使风机的 节能量达到最大,必须对其性能曲线进行详细分析。 图1为风机在不同转速下的Q - P曲线n1、n2、n3 n1 n2 n3,其中 a、b、c为管网阻力曲线,其与n1、 n2、n3的交点为风机的运行工矿点。 图2为风机在一定转速下的Q - η曲线 ,其中虚 线为理论曲线,实线则为实际风机的性能曲线。 由上 述性能曲线可得到 如果能在风机运行中,保持管网 阻力最小,风机运行在高效区,则风机耗电量最小。 以 下针对常用的风机节能调节方式进行比较,得到一种 最节能的调节方式。 图1 风机在不同转速下的Q - P曲线 图2 风机在一定转速下的Q -η曲线 1. 2 几种常用节能途径比较 风机节能途径众多 ①作者简介 杜欣慧 女 65年出生 毕业于太原理工大学 硕士研究生 教授 太原 3 1919890 0024 1从选型上应选择与实际工况匹配的风机。 2从风机管路设计上尽量减少管网阻力。 3对风机进行变工况运行控制。通常,风机选 型和管路设计在前期设计时已固定,如要进行改动是 不切实际的,因此,风机变工况运行成为风机运行节 能的重点。 风机变工况运行的几种常用方法比较 1节流调节。节流调节是在风机转速一定的情 况下,利用开关压力阀门以改变管网曲线来调节风机 流量见图1。风机在转速为n1,运行工矿点为A 点,此时流量为Q1,风压为q1,当通过压力阀门使其 流量变为Q2时,则相应风压升高为q2,管网阻力升 高,工矿点变为B点。风机输入轴功率未变,大部分 的电能被消耗在管网和阀门上,节能效果较低。节流 调节浪费能源表现在 a节流调节后,虽然流量下 降,但轴功率没有下降,风机效率下降,造成能源浪 费。b节流调节后,压头升高,使单位流量的能耗增 加。c节流后,可能使运行点偏离运行高效区,造成 能源浪费。因此,节流调节是一种不经济的调节方 法。 2液力耦合器调速节能。液力耦合器调速是利 用液体传递扭矩,在电动机转速恒定的情况下,通过 耦合器当中的泵轮与涡轮及勺管等装置的调节,使液 体传递扭矩而改变风机的转速。这种调速方式虽然 比较成熟且具有功率因数高、 维护方便等特点曾得到 过广泛应用,但因属于滑差调速,所以有滑差功率损 失,调速范围相对较窄,与离心式风机匹配调速范围 较小,且占地面积大,配用设备较多,改造较麻烦。随 着近年来变频调速技术的快速发展,已有被完全取代 的趋势。 3变频调速节能。随着近几年变频调速技术的 日趋成熟,变频器的使用已成为各种类型电动机调速 的主要手段。在风机的节能改造方面,利用变频改造 亦能取得较好的节能效果。风机变频调速是在不改 变管网阻力即相似工况的情况下,通过改变输入 电流频率来改变风机转速,使风机保持高效运行,以 达到调节风机流量的目的,见图3。风机在变频调速 时,管网阻力不变,风机运行在相似工况条件下,风机 效率几乎保持不变,故相似工况点就是等效率点、 B、 点,风机保持在高效区运行,且在流量Q下降 的同时, P同时下降,在满足工况要求的情况下,节能 效果最佳,故风机变频节能被认为是最经济的调节方 式,所以变频调速因其转差功率不变、 风机效率高、 调 速范围宽、 可实现软启动、 占地面积小、 可一机多用、 改造方便以及节能效果显著,现正逐步成为风机节能 改造的主要手段。 图3 风机在不同转速下的变工矿运行 2 风机变频节能 2. 1 变频调速系统的实现 风机变频节能改造系统示意图,见图4。 图4 风机变频系统示意图 1变频器的选择。由于风机类负载在过载能力 方面的要求较低,由于负载转矩与转速的平方成正 比,所以低速时负载较轻。又因为这类负载对转速的 精度要求不高,故可选择比较廉价的普通功能型通用 变频器。因通用变频器大多采用SP WM调制,变频 器的使用会给电网带来高次谐波分量,故在选型时, 要尽量选取高次谐波小的变频器。 2频率信号控制。以矿用通风机为例,对风机 变频调速的频率给定问题进行阐述。一般认为,变频 调速不宜低于额定转速的50,最好处于75～ 100之间,并应根据实际工矿确定。最小转速可根 据实际通风管道的管路特性曲线进行确定;受矿井环 境较差,信号干扰较大,频率信号控制器的选择宜采 用L控制,可通过L与变频器远程通信实现转 速控制,工作可靠。 对于变频器控制信号的整定可采用常规的I D 122008年第1期杜欣慧等风机变频节能及节能预算方法的研究 A C P CP C P 控制。PI D控制属于偏差控制,一般需将被控量设定 初值,在控制过程中利用偏差进行PI D调节,以保持 被控量恒定不变。在矿井瓦斯监测中宜采用PI D控 制,设定瓦斯浓度在规定值以下,利用瓦斯传感器所 采集的信号与设定值的偏差进行风机转速控制,在控 制风量满足实际工矿条件下达到节能目的。 2. 2 节能预算 通常认为风机在相似工况下即管网阻力近似 不变不同转速时,其性能参数满足如下关系 Q1 Q2 n1 n2; P1 P2 n1 n2 2; N1 N2 n1 n2 3 ; 对于风机变频后的节能预算,不能简单地以流体 力学的这些基本定律进行,否则会出现预算量与实际 节能量相差较大的后果。简单地以流体力学基本定 律进行计算主要存在以下误区 1风机风门全开时的实际运行点不一定就是风 机设计的额定工作点,风机运行点与实际工况条件有 很大关系,应根据实际工况进行测定。 2也不能简单地认为电动机的额定功率就是风 机的轴功率,因为在选取电动机时会以风机的功率为 基准并留有一定余量。 3还有的简单地把风机利用阀门进行调节时的 阀门压力损失当作变频调速后的节能量,这是完全错 误的。因为阀门调节使风机效率降低,有很大一部分 能量损失在了管路中,但从上面对变频调速的分析中 可以看出,风机变频调速运行中风机效率始终保持在 高效区,几乎不变,这是变频调速之所以节能的根本。 对于风机调速系统的节能,应从系统整体考虑, 因为在风机变频运行过程中,风机有效功率P0,风机 输入功率即轴功率 N,电动机效率 η m,变频器效率 ηv,传动效率ηd,风机效率 ηf,这些量在实际运行中 都是随风机转速的变化而不断变化的,且各量有如下 关系 N P0/η f; Pin N /η vηmηd 式中Pin 变频器输入功率。 在实际风机变频改造中应根据风机运行工作点、 风机特性曲线和效率曲线进行节能预算,得到的预算 值才能接近实际中的节能量。 对于风机效率,实际运行中的风机,其等效率曲 线与利用相似定律计算出的等效率曲线有一定偏差, 特别是在低速时,实际效率曲线不是通过坐标原点, 而是向效率较高的方向偏移,见图5,图5中虚线为 根据相似定律计算得到的等效率曲线,实线为由试验 测得的等效率曲线,因此可以在风机变频调速运行中 通过实际测量后得到,并通过曲线拟合得到一条风机 效率曲线。 图5 实际风机等效率曲线 若忽略电动机效率、 传动效率和变频器效率在变 频前后的变化,风机变频运行前后的节能量Ps可按 以下公式进行。 Ps Pin1- Pin2 P0 ηvη mηd 1 ηf1 - 1 ηf2 ; 式中Pin1和Pin2 变频前和变频后的变频器输入功 率; ηf1 和η f2 变频前和变频后的风机效率。 3 结 语 在我国各行业中,风机应用很广泛,传统的利用 节流阀门来进行风量调节,效率低下,能源消耗严重。 在进行变频节能后,节能效果可观,风机运行效率高, 节能效果显著。故随着现代电力电子技术和微电子 技术的不断进步,风机变频节能将成为风机节能的主 要手段。 收稿日期 2007 - 11 - 06 参 考 文 献 [] 麻文军 变频调速供水节能效率分析与计算方法[ ]科技与经济, [] 商坤,王建军 变频调速在煤矿矿井通风机上的应用[ ]煤矿安全,6 [ 3] 刘应诚,邵万珍 风机、 水泵调速节能技术问答[ ]运行与应用,53下转第33页 22山 西 焦 煤 科 技2008第1期 1.J .2007 4 . 2.J .2007 . .J .200. 神经网络预测中,根据具体情况不断吸收新样本,使 待识别样本神经元的最大值、 最小值包含在训练样本 中,这样可以提高识别的准确性。 4 结 论 1对成庄矿通风系统评价指标关联度计算结果 表明,影响成庄矿通风系统的关键指标是用风地点风 流稳定性、 有效风量率、 吨煤通风机电费。 2矿井通风系统评价指标涉及到许多模糊性、 随机性,即呈现灰色特性的因素,应用灰色关联分析 法能定量地处理矿井通风系统评价指标设计中的灰 色因素。通过灰色关联度分析,能够撇开复杂指标而 对主要指标进行分析,对准确矿井通风系统评价具有 一定指导意义。 3选择评价成庄矿通风系统的11个主要控制 指标,利用神经网络的方法建立了矿井通风系统评价 神经网络系统,对矿井通风系统进行了评价,评价结 果证明,运用人工神经网络模型评价矿井通风系统是 可行的。 收稿日期 2007 - 12 - 17 参 考 文 献 [ 1] 罗庆成,徐国新.灰色关联分析与应用[M ].南京江苏科学技术出版社, 1989. [ 2] 傅立.灰色系统理论及其应用[M ].北京科学技术文献出版社, 1992 . [ 3] 施鸿宝.神经网络及其应用[M ].西安西安交通大学出版社,1987. [ 4] 郭德勇,李念友,裴大文,等.煤与瓦斯突出预测灰色理论[ J ].神经网络方法研究,2007. ua tion M ethod ofM i ne Ventilation Syste m byMathe matics W ang J ian gze L iu Xiangb ing L iu Y i n gliang Abstract App lying the grey theory and neural network to uate mine ventilation system, grey corre2 lation of grey systems theory was applied to determine main controlling index of the mine ventilation system perfor mance and filtrate uation index . On this basis, the artificial neural net work model and system architecture of the ventilation systems uation is established . Key words uation of mine ventilation system; Gray relevancy; Artificial neural network 上接第22页 Research on Vari able Frequency Speed Control of Fans and BudgetM ethod for Energy Savi ng Du Xin hu i Wang Xi ao Abstract Discusses the energy - saving principle of fans and compares several of general s for energy - saving, to get the conclusion that variable frequency speed control is the most ideal control of fans control. Secondly, analyses essence of energy - saving cause by variable frequency speed control. Finally, fans for coal mine is taken for example, the system of variable frequency speed control is constructed, budget for energy saving qy K y ; L ; Bfy 332008年第1期王江泽等矿井通风系统数学评价方法研究 uantit is derived . ewordsConverterP Cudget or energsaving