離心泵變頻調(diào)速節(jié)能原理分析及變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

作者: 2014年02月17日 來源: 瀏覽量:
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隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,電力工業(yè)雖然有了長足進步,但能源的浪費卻是相當(dāng)驚人的。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo),我國風(fēng)機、水泵、空氣壓縮機總量約4200萬臺,裝機容量約1.1億千瓦。但系統(tǒng)實際運行效率僅為30~40%

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,電力工業(yè)雖然有了長足進步,但能源的浪費卻是相當(dāng)驚人的。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo),我國風(fēng)機、水泵、空氣壓縮機總量約4200萬臺,裝機容量約1.1億千瓦。但系統(tǒng)實際運行效率僅為30~40%,其損耗電能占總發(fā)電量的38%以上。這是由于許多風(fēng)機、水泵的拖動電機處于恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài),而生產(chǎn)中的風(fēng)、水流量要求處于變工況運行;還有許多企業(yè)在進行系統(tǒng)設(shè)計時,容量選擇得較大,系統(tǒng)匹配不合理,往往是“大馬拉小車”,造成大量的能源浪費。因此,搞好風(fēng)機、水泵的節(jié)能工作,對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。
 1 水泵變頻調(diào)速運行的節(jié)能原理
  圖1為水泵用閥門控制時,當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2,必須關(guān)小閥門。這時閥門的磨擦阻力變大,管路曲線從R移到R′,揚程則從Ha上升到Hb,運行工況點從a點移到b點。
  圖2為調(diào)速控制時,當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2,由于阻力曲線R不變,泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果把速度從n降到n′,性能曲線由(Q-H)變?yōu)椋≦-H)′,運行工況點則從a點移到c點,揚程從Ha下降到Hc。
  根據(jù)離心泵的特性曲線公式:
  N=RQH/102η
  式中:N——水泵使用工況軸功率(kw)
  Q——使用工況點的流量(m3/s)??;
  H——使用工況點的揚程(m);
  R——輸出介質(zhì)單位體積重量(kg/m3) ;
  η——使用工況點的泵效率(%)。
  可求出運行在b點泵的軸功率和c點泵的軸功率分別為:
  Nb=RQ2Hb/102η  
  Nc=RQ2Hc/102η  
  兩者之差為: ΔN=Nc—Nb=R×Q2×(Hb-Hc)/102η
  也就是說,用閥門控制流量時,有ΔN功率被損耗浪費掉了,且隨著閥門不斷關(guān)小,這個損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時,由于流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比;揚程H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比;軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比,即功率與轉(zhuǎn)速n成3次方的關(guān)系下降。如果不是用關(guān)小閥門的方法,而是把電機轉(zhuǎn)速降下來,那么在轉(zhuǎn)運同樣流量的情況下,原來消耗在閥門的功率就可以全避免,取得良好的節(jié)能效果,這就是水泵調(diào)速節(jié)能原理。
  2 變頻調(diào)速的基本原理
  變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動機工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系:
  n=60f(1-s)/p  
  式中:f——水泵電機的電源頻率(Hz);
  p——電機的極對數(shù);
  由上式可知,均勻改變電動機定子繞組的電源頻率f,就可以平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。電動機轉(zhuǎn)速變慢,軸功率就相應(yīng)減少,電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調(diào)速的節(jié)能作用。
  3 水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計
  目前,國內(nèi)在水泵控制系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù),大部分是在開環(huán)狀態(tài)下,即人為地根據(jù)工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值,以達到調(diào)速目的. 系統(tǒng)主要由四部分組成:(1)控制對象(2)變頻調(diào)速器(3)壓力測量變送器(PT)(4)調(diào)節(jié)器(PID).
  系統(tǒng)的控制過程為:
  由壓力測量變送器將水管出口壓力測出,并轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電信號,送到調(diào)節(jié)器與工藝所需的控制指標(biāo)進行比較,得出偏差。其偏差值由調(diào)節(jié)器按預(yù)先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算得出調(diào)節(jié)信號,該信號直接送到變頻調(diào)速器,從而使變頻器將輸入為380V/50Hz的交流電變成輸出為0~380V/0~400Hz連續(xù)可調(diào)電壓與頻率的交流電,直接供給水泵電機。
  4 水泵變頻調(diào)速應(yīng)用的注意事項
  水泵調(diào)速一般是減速問題。當(dāng)采用變頻調(diào)速時,原來按工頻狀態(tài)設(shè)計的泵與電機的運行參數(shù)均發(fā)生了較大的變化,另外如管路特性曲線、與調(diào)速泵并列運行的定速泵等因素,都會對調(diào)速的范圍產(chǎn)生一定影響。超范圍調(diào)速則難以實現(xiàn)節(jié)能的目的。因此,變頻調(diào)速不可能無限制調(diào)速。一般認為,變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50%,最好處于75%~100%,并應(yīng)結(jié)合實際經(jīng)計算確定。
   4.1 水泵工藝特點對調(diào)速范圍的影響
   理論上,水泵調(diào)速高效區(qū)為通過工頻高效區(qū)左右端點的兩條相似工況拋物線的中間區(qū)域。實際上,當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速過小時,泵的效率將急劇下降,受此影響,水泵調(diào)速高效區(qū)萎縮,若運行工況點已超出該區(qū)域,則不宜采用調(diào)速來節(jié)能了。
  4.2 定速泵對調(diào)速范圍的影響
   實踐中,供水系統(tǒng)往往是多臺水泵并聯(lián)供水。由于投資昂貴,不可能將所有水泵全部調(diào)速,所以一般采用調(diào)速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)中,應(yīng)注意確保調(diào)速泵與定速泵都能在高效段運行,并實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。此時,定速泵就對與之并列運行的調(diào)速泵的調(diào)速范圍產(chǎn)生了較大的影響。主要分以下兩種情況:
   4.2.1 同型號水泵一調(diào)一定并列運行時,雖然調(diào)度靈活,但由于無法兼顧調(diào)速泵與定速泵的高效工作段,因此,此種情況下調(diào)速運行的范圍是很小的。
   4.2.2 不同型號水泵一調(diào)一定并列運行時,若能達到調(diào)速泵在額定轉(zhuǎn)速時高效段右端點揚程與定速泵高效段左端點揚程相等。則可實現(xiàn)最大范圍的調(diào)速運行。但此時調(diào)速泵與定速泵絕對不允許互換后并列運行。
   4.3 電機效率對調(diào)速范圍的影響
   在工況相似的情況下,一般有N∝n3,因此隨著轉(zhuǎn)速的下降,軸功率會急劇下降,但若電機輸出功率過度偏移額定功率或者工作頻率過度偏移工頻,都會使電機效率下降過快,最終都影響到整個水泵機組的效率。而且自冷電機連續(xù)低速運轉(zhuǎn)時,也會因風(fēng)量不足影響散熱,威脅電機安全運行。

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