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1、11级电力电子与电力传动专业 电气节能技术 学时20 10任课教师王世荣联系电话13314396057 第5章风机和水泵节电技术 第一节风机节电技术风机节电技术主要有以下几种 1 风机调速节电 1 风机调速节电的基本原理风机耗电量与机组转速的三次方成正比 通常 设备是根据生产中可能出现的最大负荷条件 即最大流量进行选择的 而实际生产需要的流量往往比设计的最大流量要小得多 为此常常通过调节风门来控制 结果在风门上造成很大的节流损耗 如果改用调速电机 则当需要的流量减小时 电动机的转速可随着降低 这样消耗的能量会显著减少 右图绘出了风机类机械在不同转速下的典型输出特性 曲线R I 和R II 表示
2、由输送气体管道的阻力所决定的管路特性曲线 当机组的转速为n1 管道阻力为R I 时 输送的流量Qn由风机的输出特性H n1 和管路特性R I 的交点A决定 这时风机输出的压力是HA 所需轴功率是 为风机效率 现在如果需要的流量只是 在管道阻力不变的情况下 实际所需的压力只是HC 应比HA下降 但是如果电动机转速不变 当流量为时 风机的输出压力反而要增高到HB 这个压头差值就是需要通过调节风门 增加管道阻力 使管道特性由R I 变成R II 来实现的 这时风门上的损耗等于 这时风门上的损耗等于 如果不采用关小风门的办法 而是把电动机转速下降到n2 使风机的输出特性变成H n2 则随着风机的输出风
3、量减少 在输送同样流量的情况下 原来消耗在风门上的功率Nfm就可以避免 因此 具有明显的节能效果 据资料统计 可节电20 30 下图为采用不同调节方法时风机的功耗曲线 其中 出口采用风门挡板调节 进风口采用风门挡板调节 进口采用轴向导流器 用于离心式 进口采用静叶调节器 用于轴流式 可控硅串激调速 电磁离合器调速 电机变极调速 耦合器调速 变频调速 在进风口安装调节风门 其调节效果虽然不算很好 但比在出口侧安装调节风门要好得多 目前多用于离心通风机上 在子午加速轴流通风机上用的导流调节器 类似于轴流通风机中进口静叶调节结构 其调节效果比离心通风机进口挡板为好 它是轴流通风机静叶调节的一种最好型
4、式 改变风机转速 其节电效果最好 尤其是变频调速 2 通过改变转速使风机容量适应负荷要求改变转速能改变风机的特性 当风机转速由n1改变为n2时 风量Q 静压力Hj及轴功率N将按以下关系式变化 式中各符号的下角数字表示从状态1到状态2 3 风机变频调速节电风机与水泵负载一样 都是平方转矩负载 因此有关水泵变频调速节电的内容同样适用于风机 2 风机叶轮改造节电 1 切短或加长叶轮叶片当使用中的风机流量比实际所需要的流量大 或小 而又不能采用调速控制时 可将原有风机的叶片顶端切去 或加长 一段 所切去或加长的尺寸 应由流量和直径的关系决定 当加长或切短的叶片长度不超过原叶轮直径的20 时 风机相对性
5、能的改变 有下列近似关系式 流量 风压 轴功率 式中 D1 D2 改造前 后的叶轮直径 式中各符号的下角标表示改造前 后的量 改造后电动机的输入功率为 式中 d 电动机效率 一般中小型电动机为75 85 大型电动机为85 94 实际值以制造厂提供的数据为准 t 传动装置效率 改造后的叶轮直径为 上述方法 通常在风量减少 或增加 10 20 时采用 若超出20 则采用调换小容量 或大容量 的叶轮为宜 2 调换小容量叶轮当风量减少超出20 时 由于叶轮叶片外径切削部分过大 运转范围变狭 将会使风机效率下降 这时可以采用调换成小容量的叶轮 3 减少多级增压风机叶轮的级数当叶轮级数为2 3级的场合 可
6、采取切短叶轮叶片的方法减少风量 而当叶轮级数超过5 6级的场合 可采取抽去叶轮级数的方法减少风量 要注意 当抽去高压侧级数时 主要表现为压力降低 当抽去低压侧级数时 则压力和风量均减小 4 减少或增加叶轮宽度当原风机的压力能克服管道阻力 只是流量大于 或小于 实际所需要的流量而又不能采用调速控制时 可以用减少 或增加 叶轮宽度的办法来满足需要 因为加宽工艺复杂 有时全部更换叶片 只利用原有的前后盘 减少或增加叶轮宽度的尺寸 应按流量决定 有下面的近似关系式 式中 b1 b2 改造前 后的叶轮宽度 3 风机串 并联运行节电计算风机可以根据实际需要的负荷情况 采取串联或并联运行方式 串 并联后风机
7、特性曲线将改变 1 风机串联运行特性在不改变管道系统的情况下 将性能如下图中虚线所示的两台风机串联运行时 总静压力如实线所示 该实线与管道系统的阻力曲线R的交点A 即为工作点 这时每台风机的流量为Q2 静压力为Hj2 2 因为是由性能相同的两台串联组成 2 风机并联运行特性控制风机的并联台数是减小运行风机的轴功率的有效方法 在不改变管道系统的情况下 将性能如下图中虚线所示的两台风机并联时 其总静压力如图中实线所示 该实线与管道系统的阻力曲线R的交点A 即为工作点 这时每台风机的流量为Q2 2 静压力为Hj2 第二节水泵节电技术水泵节电技术主要有以下几种 1 水泵调速节电 1 水泵调速节能的基本
8、原理 水泵的耗电量与机组的转速的三次方成正比 在使用恒定转速的电动机而通过调节阀控制出水量时 随着管道阻力的增加 由下图中的R I 变成R II 工作点由A移动到B 出水量由Q1减少到Q2 同时 扬程由H1增加到H3 因而轴功率由N1变成N2 如果使用调速电动机控制出水量 则随着泵的出水量的变化 若要使管道末端的压力总保持恒定 就可以改变泵的转速 如图中相应的转速从n1减少到n2 工作点由A移到C 出水量由Q1减少到Q2 扬程由H1变为H2 从上面分析可知 上述两种方法都可以控制出水量 但由调节阀进行控制时 使泵在B点运行时所消耗的电力 轴功率 N2为 由调速方式使泵在C点运行时 所消耗的电力
9、 轴功率 N3为 因此 通过调速来控制出水量比用调节阀控制出水量所节约的电力为 2 调节阀门上的电能损耗计算当泵出口压力高于需要值时 若用调节阀门 节流阀门 调节 这时调节阀门上的电能损耗为 式中 H 富裕扬程 即调节阀门上的压降 Pa 3 通过改变转速使泵的容量适应负荷变化改变转速能改变泵的特性 当泵的转速由n1改变为n2时 流量Q 扬程H及轴功率N按下列关系变化为 当泵的转速由n1改变为n2时 流量Q 扬程H及轴功率N按下列关系变化为 式中各符号右下角数字1 2分别表示转速改变前 后的量 一般 当转速在额定转速的 20 左右范围内变化时 泵的效率变化很小 可以认为基本不变 采用泵调速措施
10、初期投资较大 但节能效果显著 尤其适用于大容量泵 但要注意 扬程越大 阻力曲线越平 即使转速稍有变化 流量也会大幅度变动 且节能效果较差 2 水泵变频调速节电 1 变频器的选用 平方转矩负载变频器的选用水泵 风机类负载为平方转矩负载 可选用通用变频器或节能型变频器 通用变频器的电压 频率 U f 模式如下图所示 U f 定值 低速下负载转矩非常小 对变频器的运行温度 转矩等都不存在问题 只需考虑在额定点变频器运行引起的损耗增大即可 如采用节能型变频器 能取得更好的节能效果 比调节挡板 阀门可节能40 50 若不进行U f一定的控制 而采用上图中虚线所示的U f模式下频率 则电动机效率提高 节能
11、效果更大 U f 定值 变频器选择示例以瑞典ABB公司的SAMIGS系列变频器为例 根据负载特性及电动机功率选择变频器可参见下表 水泵 风机类负载时变频器容量的计算水泵 风机类负载时变频器的额定电流IfN应不小于1 1倍电动机的额定电流IN 即IfN 1 1IN 根据起动 加速 最大负载转矩 可按下表选择变频器的容量 选择和使用变频器时的注意事项A只有当额定频率时 如50HZ 电动机才有可能达到额定输出转矩 B在大于或小于额定频率下调速 电动机的额定输出转矩都不可能用足 例如 当频率调到20HZ时 电动机能达到的输出转矩约为额定转矩的80 当频率调到10HZ 输出转矩约为额定转矩的50 如果不
12、论转速高低 都需要有额定输出转矩 则应选用功率较大的电动机降容使用才行 对于平方转矩的负载 当转速调到额定频率以上 则所需功率急剧增加 有时超过电动机 变频器的容量 导致不能运转或过热 所以不要轻易提高频率 2 变频调速线路 电动机正转运行变频调速线路如下图所示 工作原理 调节频率给定电位器RP 设定电动机运行速度 按下运行按钮SB1 继电器KA得电吸合并自锁 其常开触点闭合 FR COM连接 电动机按照预先设定的转速运行 停止时 按下停止按钮SB2 KA失电 FR COM断开 电动机停止 采用国产JP6C型变频器的三速运行线路线路如下图所示 工作原理 JP6C型变频器设有多速选择信号端子 这
13、里仅用三速 因此不需要选用件 频率的给定可以有三种速度 高速 中速和低速用各自的给定电位器调速 继电器KA1 KA2 KA3相互连锁 若按下按钮SB1 继电器KA1吸合并自锁 其常开触点闭合 X1 COM连接 另一副触点将FWD COM连接 电动机按高速指令运行 同样 按下按钮SB2和SB3 电动机将分别按中速和低速指令运行 一台变频器控制多台电动机并联运行线路线路如下图所示 工作原理 调节操作单元的电位器RP 图中未标出 设定电动机转速 按下起动按钮SB1 接触器KM得电吸合并自锁 这时操作单元信号从STF输出 变频器FR COM连接 各电动机按同一转速运行 停机时 按下停止按钮SB2 接触
14、器KM失电释放 同时变频器FR COM断开 电动机停止 3 水泵叶轮改造节电 1 车削或更换叶轮当使用中的泵流量比实际所需要的流量大 而又不能采用调速控制时 可将原有泵的叶轮车削一段或更换叶轮 这时泵的相对性能将按下列近似关系式改变 假设原来的叶轮出口宽度b在出口附近不变 式中 D1 D2 改造前 后泵的叶轮外径 改造后电动机的输入功率为 改造后的叶轮直径为 上述改造只限于离心泵 下图为叶轮加工前后泵特性改变情况 曲线I和II分别对应切削前后的Q H特性 实际上 加工前后叶轮出口宽度和出口角度等都要发生变化 这样就会破坏形状相似性 因此要使上述各式成立 加工比D2 D1应大于0 8 特别是叶轮
15、出口宽度b大的泵 B型 D b几乎不变 这种场合 通过加工 泵的特性变化与A型的稍有不同 按表中公式求得的各值是近似值 为了避免过量切削 建议逐步切削 很多泵的叶轮处于A型和B型之间 加工时的性能改变可以这两种型式作参考 以上两种叶轮的实际加工量要比计算加工量大 这是由于受叶轮交叉影响的结果 叶轮加工量修正曲线如右图所示 另外 泵的效率因叶轮加工而降低 下图为进行外径加工后的场合 将各外径的扬程曲线效率相等的点连接起来的等效曲线图 可以作为叶轮加工时估计泵效率降低的标准 供参考 2 抽去叶轮叶片 改变级数 该方法不能改变流量 只能改变扬程 即有下列关系式 此法也只限于离心泵 抽出前段叶片比抽出
16、后段叶片效率降低的少 4 减少管道阻力和选择合理扬程的节电计算 1 减少管道阻力的节电计算消除管道上多余的管件和不必要的转弯及锐角 以减少管道阻力 能降低输送水的单位耗电量 阻力损失可按下列公式计算 直线段管道的管中阻力损失为 式中 H 阻力损失 Pa 沿程阻力系数 L 管道长度 m Q 流量 m3 s D 水管直径 m g 重力加速度 等于9 81m s2 局部阻力的压头损失为 式中 H 阻力损失 Pa 沿程阻力系数 L 管道长度 m Q 流量 m3 s D 水管直径 m 局部阻力系数 g 重力加速度 等于9 81m s2 2 选择合理的扬程当泵的扬程留有过多余量时 会浪费电能 因此应合理确定泵的运行点的扬程 对于一定的供水系统 泵的扬程应满足以下公式 式中 Hj 泵的静扬程 即为吸入容器A与供水容器B之间的液面高度差 m HB HA 供水容器B与吸入容器A的液面压力差 Pa 液体重度 N m3 5 更换泵及电动机的节电计算 1 采用新式效率高的水泵代替老式效率低的水泵节电量计算 式中 A 更换后泵的节电量 kWh Q 水泵实际流量 m3 s H 水泵实际扬程 m 2 1 新式水泵和
