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

　　原標題：羅茨風(fēng)機變頻改造節能效益分析

　　山東錦工有限公司是一家專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機、羅茨真空泵、回轉風(fēng)機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱(chēng)的山東省章丘市相公鎮，近年來(lái)，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、油驅羅茨風(fēng)機、低噪音羅茨風(fēng)機，贏(yíng)得了市場(chǎng)好評和認可。

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

　　變速調節技術(shù)是泵類(lèi)和羅茨風(fēng)機普遍采用的一項重要的節能措施，變頻節能改造節能效益和節能量的計算是關(guān)系到項目是否具備改造可行性的關(guān)鍵因素。目前，對變頻調速技術(shù)節能效果的分析，多直接運用相似定律，與實(shí)測節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(shí)際的節能量計算方法，最后通過(guò)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關(guān)系為：

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　　式中Q為流量;n為轉速;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(diǎn)的流量和揚程己知為QA1和HA1，任一與A1點(diǎn)相似的工況點(diǎn)參數為Q和H，則：

　?。?）

　　顯然這是一條過(guò)原點(diǎn)的拋物線(xiàn)，稱(chēng)為相似曲線(xiàn)，與A1相似的工況全在這條線(xiàn)上。

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

　　該負荷下的節能率通過(guò)計算可表示為：

　?。?）

　　該方法在計算節能量時(shí)要知道泵與羅茨風(fēng)機的性能曲線(xiàn)、管路特性曲線(xiàn)，但這些數據在現場(chǎng)很難得到，因此，在實(shí)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(mén)、擋板進(jìn)行節流調節，后采用變頻調節，《泵與羅茨風(fēng)機節能技術(shù)》給出了一個(gè)節能量計算公式：

　?。?）

　　式中：PL、Q為水泵、羅茨風(fēng)機采用擋板調節流量時(shí)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。

　　當流量的調節范圍在（0.5-1）Qe時(shí)，電機變頻調節相比節流調節的節電率k為：

　?。?）

　　式中ηb為調速機構效率。

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

　?。?）

　　5 實(shí)例計算

　　某熱電公司一次羅茨鼓風(fēng)機參數為：額定風(fēng)量m?/h，電機額定功率2400kW，風(fēng)門(mén)開(kāi)度30～40%。

　　5.1 節電量計算

　　風(fēng)門(mén)開(kāi)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，因為在設計時(shí)電機一般會(huì )根據軸功率考慮1.05～1.30的安全系數確定，所以用電機的額定功率除以安全系數作為風(fēng)門(mén)全開(kāi)時(shí)的軸功率，這里取安全系數為1.25，則：Pe=2400/1.25=1920 kW

　　將PL和Pe帶入式（3-13），節電率為： k=27.14%。

　　節電量： ΔP=PL×k=1630.85 ×27.14%=442.61 kW

　　羅茨風(fēng)機在不同風(fēng)門(mén)開(kāi)度下的節電情況統計如表1。

　　5.2 節電量計算結果驗證

　　表2和表3分別為工頻和變頻的實(shí)際抄表數值及平均每小時(shí)耗電量。

　　變頻后實(shí)際節電率=（1494-1162）/1494=22.22%

　　由實(shí)際統計數據計算一次羅茨風(fēng)機變頻后的節電率為22.22%，與理論節能量計算結果（23.14%）大致相符，證明所提出的節能量計算方法是適用的。

　　6 總結

　　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(shí)際項目節能評價(jià)的計算方法，并對項目實(shí)施后的節能情況進(jìn)行統計，初步驗證了計算方法的可靠性，還需在后續類(lèi)似項目中進(jìn)一步驗證。

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羅茨風(fēng)機 變頻 節能 改造：羅茨風(fēng)機的變頻節能改造.doc

　　羅茨風(fēng)機的變頻節能改造

　　摘 要：某卷煙廠(chǎng)除塵房羅茨風(fēng)機運行時(shí)，經(jīng)常出現欠載狀態(tài)，部分風(fēng)量經(jīng)旁路放空，造成能源嚴重浪費。通過(guò)分析了羅茨風(fēng)機變轉速工作特性和變頻調速控制的節能原理，對系統進(jìn)行變頻節能改造。運行實(shí)踐表明，改造后風(fēng)機采用變頻調速控制運行，性能穩定可靠，能夠獲得顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。

　　關(guān)鍵詞：羅茨風(fēng)機；變頻器；節能改造

　　一、前言

　　某卷煙廠(chǎng)除塵房主要負責生產(chǎn)車(chē)間機臺除塵和煙絲風(fēng)送，由除塵系統和集塵系統組成，系統采用布袋式除塵器，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(xiàn)集塵，一臺用于卷包線(xiàn)集塵。原風(fēng)機額定功率的設計選型是根據工藝的最大流量來(lái)選擇的，按當時(shí)的設計思路，風(fēng)機的選型一般在滿(mǎn)足工藝負荷工作條件下還要增加一定的裕量。但實(shí)際運行中，工藝的運行參數隨各種因素而發(fā)生變化，往往實(shí)際運行負荷要比設計的最大流量小得多，造成能源浪費的情況。

　　二、問(wèn)題的提出

　　根據本系統的運行數據統計，羅茨風(fēng)機實(shí)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(jìn)行節能改造有著(zhù)顯著(zhù)的經(jīng)濟和環(huán)境效應。

　　三、節能改造方法的確定

　　羅茨風(fēng)機屬容積回轉式風(fēng)機，其工作特點(diǎn)是當轉速一定而壓力在允許范圍內加以調節時(shí)，流量的變動(dòng)甚微，轉速和流量之間保持正比的關(guān)系。采用旁路調節法不能改變羅茨鼓風(fēng)機的吸氣量，所以風(fēng)機始終在滿(mǎn)負荷下運行，無(wú)法節能。而改變轉速，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(jìn)行變速調節就可達到節能的目的，而調速方法也較多。若改為變頻調速方式調節風(fēng)機風(fēng)量，即能減少風(fēng)機電耗的浪費。

　　一）羅茨鼓風(fēng)機變轉速工作特性

　　1、流量特性

　　羅茨鼓風(fēng)機的理論流量與轉子轉速的關(guān)系式為

　　羅茨鼓風(fēng)機的實(shí)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(cháng)度和面積利用系數都是一個(gè)定值，當可忽略容積效率的變化時(shí)，羅茨鼓風(fēng)機的流量正比于轉速。

　　2、功率特性

　　羅茨鼓風(fēng)機的軸功率為

　　由式（1）和式（3）可知，當羅茨鼓風(fēng)機轉速n變化時(shí)，其軸功率與轉速成正比。

　　3、 轉矩特性

　　羅茨鼓風(fēng)機的轉矩為

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

　　二）變頻調速的工作原理

　　變頻器調速的原理是將交流順變成直流，平滑濾波后再經(jīng)過(guò)逆變回路，將直流變成不同頻率的交流電，使電機獲得無(wú)級調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)機的驅動(dòng)采用交流三相異步電動(dòng)機，其轉速與電源頻率的關(guān)系為[3]

　　由式（1）可知，轉速與頻率成正比，只要改變頻率即可改變電動(dòng)機的轉速，當頻率在0～50Hz的范圍內變化時(shí)，電動(dòng)機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機電源頻率實(shí)現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。因此，決定采用變頻調速技術(shù)對羅茨鼓風(fēng)機進(jìn)行技術(shù)改造，不但可達到節能目的，同時(shí)也可提高裝置的自動(dòng)控制水平。

　　四、羅茨風(fēng)機的變頻改造

　　一）、硬件設計

　　1、變頻器的選用

　　根據電機容量，選用丹佛斯FC300變頻器。

　　丹佛斯FC300系列變頻器的優(yōu)點(diǎn)：

　?。?） 調速范圍廣，機械特性硬，精度高，運行可靠；

　?。?） 磁通―電流控制（FCC）功能改善動(dòng)態(tài)響應特性，并且優(yōu)化電動(dòng)機的控制；

　?。?） 控制不同的負載，具有相應的V/F特性；

　?。?） 變頻器的PID調節器具有較高的品質(zhì)（參數自整定）可用于簡(jiǎn)單的過(guò)程控制；

　?。?） 快速電流限制功能（FCL），避免運行中不應有的跳閘；

　?。?）可實(shí)現電動(dòng)機的過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱等功能。

　　2、變頻器控制與調節

　　變頻器可通過(guò)在控制柜門(mén)“遠程/本地”開(kāi)關(guān)的切換實(shí)現“遠程控制”與“本地控制”?！斑h程控制”是在主控室內上位機與變頻器進(jìn)行數據通信，操作人員可通過(guò)觸摸屏的畫(huà)面對風(fēng)機和變頻器的工作電流、頻率、轉速以及啟動(dòng)、停止、故障等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。同時(shí)操作人員根據工藝或外界條件的變化，通過(guò)改變變頻器的頻率來(lái)調節轉速。

　　另外，在風(fēng)機房?jì)冗€裝有一個(gè)本地控制的機旁操作箱，在風(fēng)機出現故障時(shí)可在電機旁進(jìn)行操作。為了保證生產(chǎn)的連續運行，在變頻器出現故障后，可將故障變頻器通過(guò)旁路柜隔離，風(fēng)機電動(dòng)機可切換為工頻運行或啟、?？刂?。

　　二）、PLC與變頻器通訊的實(shí)現

　　原除塵系統的配置為：1套PLC主站（S7-300，315-2DP），1個(gè)MP 270觸摸屏，現將兩臺羅茨風(fēng)機的Danfoss FC300變頻器通過(guò)現有的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行PL

羅茨風(fēng)機 變頻 節能 改造：羅茨風(fēng)機的變頻節能改造

　　原標題：羅茨風(fēng)機的變頻節能改造

　　山東錦工有限公司是一家專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)羅茨風(fēng)機、羅茨鼓風(fēng)機、回轉式鼓風(fēng)機等水產(chǎn)養殖曝氣設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱(chēng)的山東省章丘市相公鎮，近年來(lái)，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、油驅羅茨鼓風(fēng)機、低噪音羅茨鼓風(fēng)機，贏(yíng)得了市場(chǎng)好評和認可。產(chǎn)品和服務(wù)遠銷(xiāo)全國各地及東南亞，深受客戶(hù)好評。

　　某卷煙廠(chǎng)除塵房主要負責生產(chǎn)車(chē)間機臺除塵和煙絲風(fēng)送，由除塵系統和集塵系統組成，系統采用布袋式除塵器，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(xiàn)集塵，一臺用于卷包線(xiàn)集塵。原風(fēng)機額定功率的設計選型是根據工藝的最大流量來(lái)選擇的，按當時(shí)的設計思路，風(fēng)機的選型一般在滿(mǎn)足工藝負荷工作條件下還要增加一定的裕量。但實(shí)際運行中，工藝的運行參數隨各種因素而發(fā)生變化，往往實(shí)際運行負荷要比設計的最大流量小得多，造成能源浪費的情況。二、問(wèn)題的提出根據本系統的運行數據統計，羅茨風(fēng)機實(shí)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(jìn)行節能改造有著(zhù)顯著(zhù)的經(jīng)濟和環(huán)境效應。三、節能改造方法的確定羅茨風(fēng)機屬容積回轉式風(fēng)機，其工作特點(diǎn)是當轉速一定而壓力在允許范圍內加以調節時(shí)，流量的變動(dòng)甚微，轉速和流量之間保持正比的關(guān)系。采用旁路調節法不能改變羅茨鼓風(fēng)機的吸氣量，所以風(fēng)機始終在滿(mǎn)負荷下運行，無(wú)法節能。而改變轉速，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(jìn)行變速調節就可達到節能的目的，而調速方法也較多。若改為變頻調速方式調節風(fēng)機風(fēng)量，即能減少風(fēng)機電耗的浪費。一）羅茨鼓風(fēng)機變轉速工作特性1、流量特性羅茨鼓風(fēng)機的理論流量與轉子轉速的關(guān)系式為羅茨鼓風(fēng)機的實(shí)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(cháng)度和面積利用系數都是一個(gè)定值，當可忽略容積效率的變化時(shí)，羅茨鼓風(fēng)機的流量正比于轉速。2、功率特性羅茨鼓風(fēng)機的軸功率為由式（1）和式（3）可知，當羅茨鼓風(fēng)機轉速n變化時(shí)，其軸功率與轉速成正比。3、 轉矩特性羅茨鼓風(fēng)機的轉矩為由于羅茨鼓風(fēng)機的軸功率與轉速成正比，因此由式（1）可知，當轉速變化時(shí)，轉矩不變，即羅茨鼓風(fēng)機屬于恒轉矩運行。二）變頻調速的工作原理變頻器調速的原理是將交流順變成直流，平滑濾波后再經(jīng)過(guò)逆變回路，將直流變成不同頻率的交流電，使電機獲得無(wú)級調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)機的驅動(dòng)采用交流三相異步電動(dòng)機，其轉速與電源頻率的關(guān)系為[3]由式（1）可知，轉速與頻率成正比，只要改變頻率即可改變電動(dòng)機的轉速，當頻率在0～50Hz的范圍內變化時(shí)，電動(dòng)機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機電源頻率實(shí)現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。因此，決定采用變頻調速技術(shù)對羅茨鼓風(fēng)機進(jìn)行技術(shù)改造，不但可達到節能目的，同時(shí)也可提高裝置的自動(dòng)控制水平。四、羅茨風(fēng)機的變頻改造一）、硬件設計1、變頻器的選用根據電機容量，選用丹佛斯FC300變頻器。丹佛斯FC300系列變頻器的優(yōu)點(diǎn)：（1） 調速范圍廣，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(dòng)態(tài)響應特性，并且優(yōu)化電動(dòng)機的控制；（3） 控制不同的負載，具有相應的V/F特性；（4） 變頻器的PID調節器具有較高的品質(zhì)（參數自整定）可用于簡(jiǎn)單的過(guò)程控制；（5） 快速電流限制功能（FCL），避免運行中不應有的跳閘；（6）可實(shí)現電動(dòng)機的過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱等功能。2、變頻器控制與調節變頻器可通過(guò)在控制柜門(mén)“遠程/本地”開(kāi)關(guān)的切換實(shí)現“遠程控制”與“本地控制”?！斑h程控制”是在主控室內上位機與變頻器進(jìn)行數據通信，操作人員可通過(guò)觸摸屏的畫(huà)面對風(fēng)機和變頻器的工作電流、頻率、轉速以及啟動(dòng)、停止、故障等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。同時(shí)操作人員根據工藝或外界條件的變化，通過(guò)改變變頻器的頻率來(lái)調節轉速。另外，在風(fēng)機房?jì)冗€裝有一個(gè)本地控制的機旁操作箱，在風(fēng)機出現故障時(shí)可在電機旁進(jìn)行操作。為了保證生產(chǎn)的連續運行，在變頻器出現故障后，可將故障變頻器通過(guò)旁路柜隔離，風(fēng)機電動(dòng)機可切換為工頻運行或啟、?？刂?。二）、PLC與變頻器通訊的實(shí)現原除塵系統的配置為：1套PLC主站（S7-300，315-2DP），1個(gè)MP 270觸摸屏，現將兩臺羅茨風(fēng)機的Danfoss FC300變頻器通過(guò)現有的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行PLC和變頻器的通訊，變頻器通過(guò)PROFIBUS-DP來(lái)實(shí)現電機的啟/停和調速控制，并把變頻器的實(shí)際運行狀態(tài)通過(guò)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、系統調試及運行效果一）系統改造后的調試完成羅茨風(fēng)機變頻器改進(jìn)安裝后，并投入系統運行前的調試，目的主要是檢查所選擇的變頻器性能、改進(jìn)方案的功能是否達到設計要求以及滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。經(jīng)調試，變頻器性能運行非常穩定，達到設計要求。二）運行效果變頻器經(jīng)過(guò)一個(gè)月試運行及投入正常使用后，從實(shí)際運行來(lái)看，變頻運行狀態(tài)比較穩定，滿(mǎn)足設計要求，系統穩定可靠。設備方面由于變頻具有軟啟動(dòng)功能避免了電機啟動(dòng)時(shí)對電機的沖擊損害，轉速的降低，對風(fēng)機的葉輪、軸承等壽命得以延長(cháng)，設備運行狀況良好。1、節能效益制絲集塵風(fēng)機的運行實(shí)際工頻大約為42HZ，工作電流為32A；卷包集塵風(fēng)機運行實(shí)際工頻大約為40HZ，工作電流為34A。根據測定數據可計算有功功率，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(shí)節電P節約=2× P1- P2- P3=13.43kW車(chē)間每天兩班生產(chǎn)，工作時(shí)間16小時(shí)，一個(gè)月生產(chǎn)天數20天，一個(gè)月可節約電能4296.47 kW。2、設備影響（1） 避免了電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)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(dòng)控制能力；（3） 減少了羅茨風(fēng)機及其消聲器等的機械振動(dòng)、噪聲和沖擊；（4） 由于轉速的降低，羅茨風(fēng)機的葉輪、軸承等壽命得以延長(cháng)。六、結束語(yǔ)變頻器控制技術(shù)用于羅茨風(fēng)機控制達到顯著(zhù)的節電效果，提高了設備效率，又滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，經(jīng)濟效益十分明顯。

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