风机变频节能及节能预算方法的研究

第1期山西焦煤科技2008年1月Shanxi Coking Coal Science TechnologyJan.2008试验研究·风机变频节能及节能预算方法的研究杜欣慧①王孝(太原理工大学电气与动力工程学院)摘要论述了风机节能原理,并对几种常用的节能调节方法进行了比较,得出变频调速为最理想的节能调节方法,且对变频调速节能的本质进行了分析。对风机变频调速控制系统的组建进行了阐述,并针对矿井通风变频器的选择和频率信号控制器的选择进行了分析,风机作为一种对转速精度要求不高的负载,变频器可选择最廉价的SPWM脉宽调制的减平方转矩变频器,为了适应矿井恶劣环境,可采用PLC进行远程通信。指出传统节能预算之所以误差较大的误区,得出风机节能预算的法和公式。关键词变频器;PLC;节能预算“十五”以来,随着我国国民经济取得可喜的成阻力最小,风机运行在高效区,则风机耗电量最小以绩我国能源日益紧张能源从2001年开始制约我国下针对常用的风机节能调节方式进行比较得到一种国民经济的发展,2006年中央提出把节约资源作为最节能的调节方式。基本国策,在我国第二产业一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功图1风机在不同转速下的Q-P曲线率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。要使风机的理论节能量达到最大,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(m1>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-n曲线,其中虚图2风机在一定转速下的Q-7曲线线为理论曲线实线则为实际风机的性能曲线。由上1.2中国煤化工述性能曲线可得到:如果能在风机运行中,保持管网CNMHG①作者简介:杜欣慧女1965年出生1989毕业于太原理工大学硕士研究生教授太原030042008年第1期杜欣慧等:风机变频节能及节能预算方法的研究211)从选型上应选择与实际工况匹配的风机。的同时,P同时下降,在满足工况要求的情况下,节能2)从风机管路设计上尽量减少管网阻力。效果最佳,故风机变频节能被认为是最经济的调节方3)对风机进行变工况运行控制。通常,风机选式所以变频调速因其转差功率不变、风机效率高、调型和管路设计在前期设计时已固定如要进行改动是速范围宽、可实现软启动、占地面积小可一机多用不切实际的,因此,风机变工况运行成为风机运行节改造方便以及节能效果显著现正逐步成为风机节能能的重点。改造的主要手段。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Q叫的电能被消耗在管网和阀门上,节能效果较低。节流图3风机在不同转速下的变工矿运行调节浪费能源表现在:a)节流调节后,虽然流量下2风机变频节能降,但轴功率没有下降,风机效率下降,造成能源浪2.1变频调速系统的实现费。b)节流调节后,压头升高,使单位流量的能耗增风机变频节能改造系统示意图,见图4加。c)节流后,可能使运行点偏离运行高效区,造成用户给定信号能源浪费。因此,节流调节是一种不经济的调节方法“时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。这种调速方式虽然图4风机变频系统示意图比较成熟且具有功率因数高、维护方便等特点曾得到1)变频器的选择。由于风机类负载在过载能力过广泛应用,但因属于滑差调速所以有滑差功率损方面的要求较低,由于负载转矩与转速的平方成正失,调速范围相对较窄,与离心式风机匹配调速范围比,所以低速时负载较轻。又因为这类负载对转速的较小,且占地面积大,配用设备较多,改造较麻烦。随精度要求不高,故可选择比较廉价的普通功能型通用着近年来变频调速技术的快速发展,已有被完全取代变频器。因通用变频器大多采用SPWM调制,变频的趋势。器的使用会给电网带来高次谐波分量,故在选型E3)变频调速节能。随着近几年变频调速技术的要尽量选取高次谐波小的变频器。趋成熟,变频器的使用已成为各种类型电动机调速2)频率信号控制。以矿用通风机为例,对风机的主要手段。在风机的节能改造方面利用变频改造变频调速的频率给定问题进行阐述。一般认为,变频亦能取得较好的节能效果。风机变频调速是在不改调速不宜低于额定转速的50%,最好处于75%变管网阻力(即相似工况)的情况下,通过改变输入100%之间,并应根据实际工矿确定。最小转速可根电流频率来改变风机转速使风机保持高效运行,以据实V凵中国煤化工行确定受矿井环达到调节风机流量的目的见图3。风机在变频调速境较却CNMHG制器的选择宜采时管网阻力不变,风机运行在相似工况条件下,风机用PLC控制,可通过PLC与变频器远程通信实现转效率几乎保持不变,故相似工况点就是等效率点(A、速控制,工作可靠B、C点),风机保持在高效区运行,且在流量Q下降对于变频器控制信号的整定可采用常规的PD山西焦煤科技2008第1期控制。PID控制属于偏差控制,一般需将被控量设定在实际风机变频改造中应根据风机运行工作点、初值在控制过程中利用偏差进行PD调节以保持风机特性曲线和效率曲线进行节能预算得到的预算被控量恒定不变。在矿井瓦斯监测中宜采用PD控值才能接近实际中的节能量。制设定瓦斯浓度在规定值以下,利用瓦斯传感器所对于风机效率,实际运行中的风机,其等效率曲采集的信号与设定值的偏差进行风机转速控制在控线与利用相似定律计算出的等效率曲线有一定偏差制风量满足实际工矿条件下达到节能目的。特别是在低速时,实际效率曲线不是通过坐标原点,22节能预算而是向效率较高的方向偏移,见图5,图5中虚线为通常认为风机在相似工况下(即管网阻力近似根据相似定律计算得到的等效率曲线,实线为由试验不变)不同转速时,其性能参数满足如下关系测得的等效率曲线因此可以在风机变频调速运行中Q=1P=(2y;M=();通过实际测量后得到,并通过曲线拟合得到一条风机Q2 n,效率曲线。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图5实际风机等效率曲线基准并留有一定余量。若忽略电动机效率传动效率和变频器效率在变3)还有的简单地把风机利用阀门进行调节时的频前后的变化,风机变频运行前后的节能量P可按阀门压力损失当作变频调速后的节能量,这是完全错以下公式进行。误的。因为阀门调节使风机效率降低,有很大一部分P, = Pal能量损失在了管路中,但从上面对变频调速的分析中勿n)可以看出,风机变频调速运行中风机效率始终保持在式中:Pm和P一变频前和变频后的变频器输入功高效区,几乎不变这是变频调速之所以节能的根本。率;对于风机调速系统的节能应从系统整体考虑T和m一变频前和变频后的风机效率。因为在风机变频运行过程中,风机有效功率P,风机3结语输入功率(即轴功率)N电动机效率ηn,变频器效率在我国各行业中,风机应用很广泛,传统的利用7传动效率ma,风机效率v,这些量在实际运行中节流阀门来进行风量调节,效率低下能源消耗严重。都是随风机转速的变化而不断变化的,且各量有如下在进行变频节能后,节能效果可观风机运行效率高关系节能效果显著。故随着现代电力电子技术和微电子N= Po/n Pin = N/(n,mmna)技术的不断进步风机变频节能将成为风机节能的主式中:P一变频器输人功率。要手段。收稿日期2007-11-06[1]麻文军变频调速供水节能效率分析与计算方法[刀科技与经济,200(4dHA中国煤化工文CNMHG[2]商坤王建军变频调速在煤矿矿井通风机上的应用[刀媒矿安全,200(0)[3]刘应诚邵万珍风机、水泵调速节能技术问答[运行与应用,20063)(下转第33页)2008年第1期王江泽等:矿井通风系统数学评价方法研究33神经网络预测中根据具体情况不断吸收新样本使色因素。通过灰色关联度分析能够撇开复杂指标而待识别样本神经元的最大值最小值包含在训练样本对主要指标进行分析对准确矿井通风系统评价具有中,这样可以提高识别的准确性定指导意义。结论3)选择评价成庄矿通风系统的11个主要控制1)对成庄矿通风系统评价指标关联度计算结果指标,利用神经网络的方法建立了矿井通风系统评价表明,影响成庄矿通风系统的关键指标是用风地点风神经网络系统,对矿井通风系统进行了评价,评价结流稳定性、有效风量率、吨煤通风机电费果证明,运用人工神经网络模型评价矿井通风系统是2)矿井通风系统评价指标涉及到许多模糊性、可行的。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收稿日期200-12-17文献[1]罗庆成徐园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[刀.神经网络方法研究,2007Evaluation Method of Mine VentilationSystem by mathematicsWang Jiangze Liu Xiangbing Liu YingliangAbstract Applying the grey theory and neural network method to evaluate mine ventilation system, grey corre-lation method of grey systems theory was applied to determine main controlling index of the mine ventilation systemperformance and filtrate evaluation index. On this basis, the artificial neural network model and system architecture ofthe ventilation systems evaluation is establishedKey words Evaluation of mine ventilation system; Gray relevancy; Artificial neural network(上接第22页Research on Variable Frequency Speed Control of Fans andBudget Method for Energy SavingDu Xinhui Wang XiaoAbstract Discusses the energy-saving principle of fans and compares several of general methods for energyving, to get the conclusion that variable frequency speed control is the most ideal control method of fans controllyses essence of energy-saving cause by variable frequency speed control. Finally, fans for coal mineis taken for example, the system of variable frequency speed control中国煤化工 -for energy savingCNMHGKey words Converter i PLC; Budget method for energy saving