风机变频调速节能改造的分析及计算

风机变频调速节能改造的分析及计算

张恒谢国政张黎海

（昆明电器科学研究所，云南昆明 650221）

摘要：以变频调速改造来达到调节工业工程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，投入和收益是必须认真考虑的，收益就涉及到节能量的计算。在变频器未投运之前，计算节能量是比较困难的。本文通过分析变频节能的原理，介绍了针对阀门及液力耦合器调节流量系统的变频改造的节能估算的一些思考及方法。

关键词：风机变频节能原理调速节能阀门液力耦合器节能估算

一、 引言

在工业生产、发电、居民供暖（热电厂）和产品加工制造业中，风机水泵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%~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之一。变频调速因其调速效率高，力能指标（功率因数）高，调速范围宽，调速精度高等优势，又可以实现软起动，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水泵，变频调速不失为目前最理想的调速节能方案。

由于电机的电流的大小随负载的轻重而改变,也即电机消耗的功率也是随负载的大小而改变，因此要想精确地计算系统的节能量是困难的，这在一定程度上影响了变频调速节能改造的实施。

二、 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实际所需流量。

叶片式风机水泵的负载特性属于平方转矩型，即负载的转矩与转速的二次方成正比。风机水泵在满足三个相似条件：几何相似、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（或水泵），当输送的流体密度ρ不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：流量 (Q)与转速(n)的一次方成正比；扬程（压力）H 与转速的二次方成正比；轴功率 (P)则与转速的三次方成正比。即：

''n n Q Q = ; 2''(n n H H = 2''(n n p p = ; 3''(n n P P = 当风机、水泵的转速变化时，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，故当流量由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①、③为风机水泵在不同阻力下的特性曲线。曲线②、④为工频、变频状态下的流量与压力关系曲线。风机水泵工作在A点时，轴功率P1等于Q1,H1的乘积，即与图中面积 AQ10H1A成正比。若要将流量从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，使裕量过大。如火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的鼓风机、引风机的风量裕度分别为5%和5~10%，风压裕度为10%和10%~15%。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（比如水泥生产过程工况中，由于物料、湿度等不同工况需求），通常总把系统的最大风量和风压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20%~30%的比较常见。在实际工作时，再采用风门挡板来实现工况所需的流量，因而造成大量的节流损耗。

若风机能调速运行，则具有巨大的节能潜力。上世纪七十年代，都采用机械调速或滑差电机调速，但调速效率低、能量损耗大，并且驱动功率受到限制；上世纪八十年代出现的液力耦合器调速装置，突破了驱动功率的限制，向大功率方向发展，但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，在引风机、送风机、一次风机、循环水泵、凝结水泵、给水泵、灰渣（浆）泵、排粉机等设备的控制中得到广泛应用，取得了良好的节电效果。

三、 阀门调风的变频改造节能对比分析及估算

（一）对比分析

由图1可知，通过阀门调节也可减小风机的输入轴功率。其减小的功率为长方形AQ1OH1A与长方形BQ2OH2B的差。虽然也有节能效果，但其功率减少很小。一般情况下，采用风门调节的风机，在两者偏离10%时，效率下降8%左右;偏离20%时，效率下降20%左右；而偏离30%时，效率则下降30%以上。对于采用调节风门进行调节风量的风机，这是一个固有的不可避免的问题。可见，风机、水泵电机的用电量中，很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节风门消耗掉的。是一种低效节能调节方式。

如果采用变频器调风机转速来调节风量，风门开到100% ，风机转速n1调到n2，特性变为曲线(4)，工况点为C，在保证同样风量Q2的情况下，风压大幅度降低至H3。功率P与长方形CQ2OH3C的面积成正比。随着流量的减小，减少的功率损耗△P=△HQ与面积BH2H3CB成正比。节电的经济效益十分明显。 （二）对阀门调风的变频改造的节能估算方法和思考

如果用变频器对风机、泵类设备进行调速控制，不再需要用阀门、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：

（1）

其中：P

为变频器改造后风机所需输入功率，单位为kW；

L

为达到风机额定流量时所需输入功率，单位为kW；

P

E