變頻調(diào)速技術(shù)在水泵上的節(jié)能改造
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一、概述：
工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的負(fù)荷大部分是交流異步電動機(jī)，耗電量約占企業(yè)全部電耗的65%左右，尤其風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)荷的效率比較低，在2002年中國加入世貿(mào)組織之后，企業(yè)必須通過降低成本來提高經(jīng)濟(jì)效益。才能增強(qiáng)競爭力，在降低生產(chǎn)成本中，節(jié)約用電是一個重要的經(jīng)濟(jì)環(huán)節(jié)。
二、概況：
惠隆五金機(jī)械廠供水站的供水系統(tǒng)是根據(jù)用水量的需求，是采用調(diào)整泵出門閥門來調(diào)節(jié)流量，需要專人值守，在不同的情況下，開關(guān)閥門。勞動強(qiáng)度較大，同時，由于閥門的強(qiáng)制節(jié)流使泵形成旋渦沖擊，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的振動和噪聲，對泵的使用壽命、維護(hù)修理都加大了不利的損耗。再就是由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本恒定，這種調(diào)節(jié)方式形成的供水壓力較高，造成嚴(yán)重的節(jié)流功率損失，泵的效率降低，造成電力的浪費(fèi)。
三、水泵的調(diào)速性能
水泵在改變轉(zhuǎn)速時，其內(nèi)部幾何尺寸沒有改變，所以，據(jù)水泵的相似原理可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，得出：同一臺泵當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，水泵的主要性能參數(shù)將接上述比例定律而變化，并且，在變化過程中可保持效率基本不變，若水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速可調(diào)，我們就可以改變某臺水泵的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)當(dāng)時需水量的變化，這樣就可以避免水泵機(jī)組在低效率區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)造成的電動機(jī)過載，另一方面，也可以避免供水壓力偏高所造成的浪費(fèi)。同時，水泵隨著轉(zhuǎn)速的變慢而使軸功率大為減少，電動機(jī)輸入功率也隨之減少，這就是調(diào)速水泵在供水系統(tǒng)中所起的節(jié)能作用。
四、減速的基本原理
根據(jù)交流電動機(jī)工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系，n=60f（1-s）/p,從公式中得出：均勻改變電動機(jī)定子繞組的電源頻率，就可以平滑地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動機(jī)輸入功率也隨之減少，這就是水泵調(diào)速的節(jié)能作用。
交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速物性為一條稍向下傾斜的曲線，如圖A所示，調(diào)速時的特性仍為稍向下傾斜曲線，是在不同頻率時相互平等的一組曲線，如圖B所示：
從圖 A、圖B中可以看出，變頻器的調(diào)速特性基本保持了電動機(jī)固有的轉(zhuǎn)速特性，它是一組不同頻率時相互平行的特性曲線。
變頻調(diào)速具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)差損失小，效率可高達(dá)90～95%以上。
②實(shí)現(xiàn)平滑地?zé)o級調(diào)速，精度高，調(diào)速范圍寬（0～100%），頻率變化范圍大（0～50Hz）。
③起動轉(zhuǎn)矩大（可達(dá)額定值的1.1倍），實(shí)現(xiàn)軟啟動減輕啟動電流的沖擊。
④提高電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。
⑤變頻器可采用高速度的16位CPU與專用的大規(guī)模集成電路配合，用軟件實(shí)現(xiàn)V/5自動調(diào)整，具有
與計(jì)算機(jī)可編程控制器聯(lián)機(jī)控制的功能，容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制。
⑥安裝容易，調(diào)試方便，操作簡單。
⑦不僅適用于水泵，風(fēng)機(jī)類負(fù)荷的節(jié)能調(diào)速，而且也適用于舊設(shè)備的改造，對改善工藝條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量都有其明顯作用。
一、案例
惠隆五金機(jī)械廠生活水泵，電機(jī)功率為Y200M-2 45KW，安裝變頻器壹臺，已運(yùn)行三個月，節(jié)電效果明顯。
生活水泵變頻減速節(jié)能測試數(shù)據(jù)如表A、表B所示：
表A（2001年9月份）安裝變頻器前的測試數(shù)據(jù)（f=50Hz）
表 B（2001年9月-10月）
安裝變頻器后的測試數(shù)據(jù)（P=4kgf/cm2=39.2N/CM2,f=0～50Hz）
安裝變頻器后的測試數(shù)據(jù)（P=4kgf/cm2=39.2N/CM2,f=0～50Hz）
供水的高峰與低谷是隨作息時間及生活習(xí)慣不同的變化的，為保證樓房高房及遠(yuǎn)距離居住的職工正常用水，我們采用了恒壓供水方式，即保持管網(wǎng)壓力為 4KGF/CM2（39.2N/CM2）。電動機(jī)頻率隨壓力變化，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。
從表A與表B所示，以10天運(yùn)行記錄分析：
安裝變頻器前： 供水量12785T，耗電7132KWH，平均單耗0.558KWH/T，平均時耗39.187KW/H。
安裝變頻器后： 供水量：12819T；耗電5412KWH，平均單耗0.422KW/T，平均時耗29.254KWH。
前后相比，10天供水量幾乎相等，而耗電減少1720KWH，平均單耗降低0.136KWH，節(jié)電率24.37%，平均時耗降低9.942KW/H，節(jié)電率25.37%，平均節(jié)電率達(dá)24.87%，節(jié)電效果顯著。
投資回報期短： 按平均每天運(yùn)行時間為18小時計(jì)
年運(yùn)行時間 =18×365=6570小時
年節(jié)電量 =（投入前平均時耗-投入后平均時耗）×年運(yùn)行時間=（39.187-29.254）×6570=65319（KWH）
按電費(fèi)單價1元=年節(jié)電折合人民幣
年節(jié)電費(fèi) =電費(fèi)單價×年節(jié)電量=1×65319=65319元
投資回報期 =60000÷65319=0.92年×12個月=11個月
即期投資回報期不到1年，與其他節(jié)能技術(shù)相比投資回報期限明顯縮短。
中央空調(diào)智能節(jié)電系統(tǒng)
一、 概述：
目前大多數(shù)中央空調(diào)供水系統(tǒng)的供水量都是手動調(diào)節(jié)，只要水泵開始運(yùn)行，無論負(fù)荷情況如何，水泵均以最大負(fù)荷運(yùn)行，所以能源浪費(fèi)現(xiàn)象較嚴(yán)重，經(jīng)調(diào)查測試一些空調(diào)供水系統(tǒng)的資料數(shù)據(jù)表明，普遍存在大流量小溫差的問題。
夏季供冷水系統(tǒng)的供回水溫差：較好者為4℃，較差者為1～1.5℃。
冬季供暖水系統(tǒng)的供回水溫差：較好者為8～10℃，較差者為3℃。且循環(huán)水量一般是設(shè)計(jì)水量的1.5倍，這樣帶來如下一系列問題：
1、水流量過大使冷水系統(tǒng)和用水溫度變低，惡化主機(jī)的工作條件。
2、由于水泵的壓力太大，通常都是通過調(diào)整管道上閥門的開度來調(diào)節(jié)水流量的，因此在閥門上存在很大的電能浪費(fèi)。
3、因水泵通常采用的是Y-△起動方式，電機(jī)的起動電流約為額定電流的3～4倍，一臺30KW的電動機(jī)，其起動電流將達(dá)到100A以上。在如此大的電流沖擊下，接觸器等元器件的使用壽命大大下降，增加了維修工作量和備品備件費(fèi)用。其次，較大的啟動電流還會在電機(jī)和變壓器中引起極大的電能損失，造成電氣設(shè)備發(fā)熱等問題。
由上述可知，供水系統(tǒng)運(yùn)行效率較低，能耗較大，且屬長期運(yùn)行設(shè)備，進(jìn)行節(jié)電改造完全是必要的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，就在空調(diào)系統(tǒng)中，冬季暖期約占動力用電的20%～30%。在夏季供冷期占動力用電的15%～25%。因此，降低空調(diào)系統(tǒng)的用電是目前降低成本的一個重要環(huán)節(jié)。
二、 節(jié)能改造的技術(shù)可行性：
采用恒壓（恒溫）智能控制節(jié)電器，控制水泵運(yùn)行，是目前供水系統(tǒng)節(jié)能改造的有效途徑之一，圖A和圖B給出了閥門調(diào)節(jié)和智能控制節(jié)電器兩種運(yùn)行狀態(tài)的壓力——流量（H-Q）關(guān)系及功率——流量（P——Q）關(guān)系。
圖 A中曲線1是水泵在額定轉(zhuǎn)速下的H——Q曲線，曲線2是水泵在某一較低速度下的HQ曲線，曲線3是閥門開度最大的管路H——Q曲線，曲線4是某一較小閥門開度最大的條件下采用智能控制器調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行，則工況點(diǎn)沿曲線3由A點(diǎn)移動到C點(diǎn)。顯然，B點(diǎn)與C點(diǎn)的流量相同，但B點(diǎn)的壓力以C點(diǎn)的壓力要高很多，即智能控制水泵運(yùn)行，節(jié)能效果顯著。
圖B中曲線5為智能控制水泵運(yùn)行的P——Q曲線，曲線6為閥門調(diào)節(jié)方式下的P——Q曲線；在相同的流量下，智能控制方式比閥門調(diào)節(jié)方式能耗小，二者之間的關(guān)系為：△P=[0.4+0.6Q/Qe-（Q/Qe）3]Pe式中，Q為實(shí)際負(fù)載流量，Qe為額定流量，Pe為額定負(fù)載功率，△P為功率節(jié)省值。可以算出當(dāng)負(fù)載流量下降到額定流量的70%時，節(jié)電率將達(dá)到48%。除了節(jié)省電能外，智能控制節(jié)電器的應(yīng)用還會給供水機(jī)組運(yùn)行帶來如下好處：
1：管路閥門開度最大，消除閥門上節(jié)流損失。
2：有欠壓、過流、缺相、漏電等保護(hù)措施，改善了電機(jī)運(yùn)行條件，提高了運(yùn)行的可靠性。
3：實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動（最大啟動電流小于額定電流）。
4：啟動平穩(wěn)，無沖擊負(fù)荷，大幅度降低設(shè)備損耗延長了設(shè)備使用壽命，減少維修費(fèi)用。
5：管路壓力降低，減少了跑冒滴漏現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行更加安全。
6：在空調(diào)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)水流量，把冷水機(jī)組的進(jìn)水和回水溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，保證主機(jī)的熱交換率，節(jié)省主機(jī)能耗。
三 、改造方案
1：供水系統(tǒng)及空調(diào)用冷凍水泵采用恒壓閉環(huán)控制，由壓力傳感器檢測則信號反饋給智能控制節(jié)電器，控制電機(jī)運(yùn)行。
2：空調(diào)用冷卻水泵采用溫度閉環(huán)控制。
3：為方便檢修且不影響生產(chǎn)，可進(jìn)行節(jié)電控制和市電兩種狀態(tài)運(yùn)行，同時實(shí)行電氣互鎖。（以控制柜形式提供給用戶）
4：具有自動控制回路，手動控制旁路及相應(yīng)的指示狀態(tài)和各種完善的保護(hù)功能，如過載、過流、過壓報警功能。
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