变频节能技术在矿山风机、水泵上的应用

1 引言
能源短缺和环境污染是人类当前共同面临的世纪性难题。我国人口众多，能源资源相对匮乏,节约能源犹显重要。

电力资源是资源战略问题中的重中之重，是国民经济和社会发展的重要基础。通过技术进步，逐步提高电力利用效率，节省有限的自然资源，保护环境，实现可持续发展。

“十一五”规划建设目标是实现单位gdp能耗下降20％，主要途径有三个，包括结构节能、推进技术节能及管理节能。据资料显示我国高、低压电动机总容量在35000mw以上，大部分为风机泵类负载，它们大多工作在高能耗、低效率状态。覆盖电力、石油、化工、冶金、制造、环保、市政等行业，其耗电量占全国总用电量的40%左右。而水泵和风机的一个特点是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。如可根据所需的流量调节转速，就可获得很好的节电效果，一般可节电20%～50%。

目前我国大型异步电动机应用变频调速刚刚起步，但国外已经广泛使用，而且随着电力电子器件的发展，高压变频装置的型式多种多样。通过他们长期的运行实践可以发现：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。变频调速以其优异的调速、起动和制动性能，高效率、高功率因数、良好的节电效果及广泛的适用范围等优点，被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。

我公司结合本单位的实际情况，根据集团公司的要求专门成立了节能办公室，使整体能耗下降12%，在风机、水泵上的应用效果犹其明显。

2 调速节能原理

2.1 改造项目介绍

改造项目包括：矿石破碎除尘离心风机，取水离心水泵，浮选机组（特性与水泵相似）。

2.2 运行工况分析（以风机为例）

在实际运行时，由于采用进风门挡板调节，大部分的能量都被消耗在挡板上了，且挡板的开度越小则耗能就更多。在一般情况下 ，采用挡板调节的风机其实际消耗功率与风量大致成正比，与风门的开度也大致成正比，从上述工况中的风门开度及电流参数也可以看出这一点。

对运行情况进行分析，可以得出以下两点：
（1） 风机实际风量约为额定风量的一部分，风机远离额定点运行，其实际运行效率很低。
（2） 由于挡板的存在，挡板前后存在压差，消耗了很大一部分能量。
所以可以从以上两个方面改善其运行工况，减小损耗，达到节能的目的。

2.3 改造建议
挡板这种调节方式虽然简单易行，已成习惯，但它是以增加管网损耗，耗费大量能源为代价的。对于大功率电机，耗能则更大。当采用变转速调节时，其效率最高，因为风量随转速的一次方下降，而其轴功率则按转速的三次方规律下降，而目前性能最佳的调速方式则是国际上公认的交流变频调速技术。对于变频器的选择，公司做了详细的市场调查，经过公司领导的慎重考虑，最终选择了专业生产高、中、低压变频器厂家……深圳市微能科技生产的win-9p系列风机专用型变频器和win-9gv高性能电流矢量型变频器，对破碎除尘风机，湖边水泵和浮选机进行改造。

3 变频改造的节能分析

3.1变频调速节能原理

从流体力学的原理得知，使用感应电机驱动的风机，轴功率p与风量q，风压h的关系为：p∝q×h
当电动机的转速由n1变化到n₂时, q、h、p与转速的关系如下:
（1）
（2）
（3）
可见风量q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率p与转速的立方成正比关系。所以当需要80%的额定风量时，通过调节电机的转速至额定转速的80%，即调节频率到40赫兹即可，这时所需功率将仅为原来的51.2%。
如附图所示，从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

当所需风量从q₁减小到q₂时，如果采用调节风门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从a点变到新的运行工况点b点运行，所需轴功率p₂与面积h₂×q₂成正比；如果采用调速控制方式，风机转速由n₁下降到n₂，其管网特性并不发生改变，但风机的特性曲线将下移，因此其运行工况点由a点移至c点。此时所需轴功率p₃与面积h_b×q₂成正比。从理论上分析，所节约的轴功率delt（p）与（h₂-h_b）×（c-b）的面积成正比。
考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机类通过调速控制节能可达20%～50%。

3.2 变频改造节能分析
改造前工频运行功率计算公式
p₁=u×i×1.732×cosφ
其中：u—电机电压，kv；
i—电机电流，a；
p₁—单一负荷下工频运行功率，kw；
cosφ—单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数。

其中：t—全年平均运行时间，h；
p₁—单一负荷下的运行功率，kw；
δ—这种负荷下的全年运行时间比例；
c₁—改造前总耗电量，kw·h。
改造后变频运行预计功率计算公式：
利用公式：计算出的比。
其中：p₁—工频运行功率，kw；
p_额——额定轴功率，kw；
——运行工况与额定工况下的效率、压力比，小功率电机取1，大功率电机取0.9。
根据改造风量不变的原则，有q₁=q₂，其中q₂为改造后的风量。所以。
再根据，即计算出p₂。其中p₂是变频改造后预计运行功率，η为变频装置的效率。

其中c2—改造后总耗电量，kw . h。

3.3 节能对照
节能对照表如表1所示。

上述均为百分比，100%流量为风机的额定流量，100%功率为工频额定工况运行时消耗功率（即电机输入功率 = 风机额定轴功率/电机效率，电机效率一般为93-96%，额定功率较大者效率较高）。变频调速时的节能量即为两种调节方式的能耗差值（百分比乘额定消耗功率）。

3.4 破碎除尘风机技改前后能耗对照表

破碎除尘风机技改前后能耗对照表如表2所示。


4 变频调速其他附加好处

（1） 网侧功率因数提高。原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.85左右，实际运行功率因数远低于0.8。采用变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.9以上，无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备的运行费用。
（2） 设备运行与维护费用下降。采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机、风机转速也降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长；并且变频改造后风门开度可达100%，运行中不承受压力，可显著减少风门的维护量。变频器运行中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。随着生产的需要，调节风机的转速，进而调节风机风量，既满足生产工艺的要求，工作强度又大大降低。采用变频技术调速后，减少了机械磨损，维护工作量降低，检修费用下降。
（3） 电机使用寿命延长。用变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常。风机启动时的噪音和启动电流非常小，无任何异常振动和噪音。
（4） 更完善地保护了电机。与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、过热等多项保护功能，更完善地保护了电机。
（5） 操作简单，运行方便。可通过计算机远程给定风量或压力等参数，实现智能调节。
（6） 适应电网电压波动能力强。电压工作范围宽，电网电压在-15%～+10%之间波动时，系统可正常运行。

5 结束语

通过对矿石破碎除尘离心风机（节能28%）、湖边离心水泵（节能26%）、浮选机组进行改造（节能26%），取得了良好的经济效益。通过此次改造，也验证了用深圳市微能科技有限公司的变频器改造具有优异的性价比，为公司以后使用大功率高、低压电机进行驱动的设备进行技术改造提供了一个较为经济可靠的选择。
作者简介
王治江 1982年毕业于中南大学电力工程专业，现任湖北鸡笼山黄金矿业有限公司动力部部长。