飼料生產企業風機的節能降耗技術

qingfeng77121 · 發表于 2008-6-13 01:37:48

飼料生產企業風機的節能降耗技術

王洪平

離心風機是飼料生產企業常用的輔助生產設備，主要用于通風與除塵裝置中，如飼料加工中旋風除塵器及布袋除塵器等均需要利用離心風機對生產場地進行除塵處理，確保生產環境潔凈，保護生產者身心健康（孫武亮，2007）。風機是一種高耗能的設備，消耗的電力資源所占比例較大，隨著能源問題的日益緊張及高產、高效工作面的推廣應用，節能降耗已成為飼料生產企業普遍關注的問題，許多飼料生產企業把降低風機的電耗作為當前的重要工作。降低風機的電耗除了提高風機本身的效率外，合理地選用風機的調節方式是最重要的。當前，飼料生產企業風機的節能調節方法比較陳舊，一般采用節流調節。當采用節流調節時，風機的流量主要采用調節閥門或節流擋板來進行調節，風機的節流量大，低負荷時甚至節流50%以上，由于存在節流損失及偏離高效區運行，能量浪費非常嚴重。如果調節風機的轉速，既可以取消節流損失，又可以保證風機始終運行在高效區，就可以大幅度節約電能。本文介紹了風機的節能幾種方法，比較了各種方法的特點，指出了變頻調速技術是目前風機的最佳節能途徑，對飼料生產企業具有現實意義。

1 合理選擇風機的工況
風機在管網中的理想工作狀況是要保證其輸出風量的穩定，同時本身的工作效率又能保持在較高水平。為此，首先當然要選用高效型風機，但是在實際生產運行中，由于操作條件的變化，風機的工作點往往會隨之轉移，以致輸出風量相應地發生變化。我們能否找到一種因生產操作變動對風機輸出風量影響較小的選擇？圖1是風機在管網中的工作情況。n為風機在某一轉速時的性能曲線，R1、R2、R3分別為不同生產操作情況下的管網特性曲線。當風機在工作點1運行時，如果管網阻力從 P1增加到P2，則風機工作點就將從1移向2，其風量就將從Q1降為Q2；如果風機在工作點2 運行，當管網阻力由P2 增加到P3，且其增加量與P1增加到P2相同，則風機的工作點將由2移至3，其風量將由Q2降至Q3。顯然，從后面圖3中可以看到，Q2-Q3>Q1-Q2，亦即風機在工作點1運行時，管網阻力的變動對風機風量的影響要小于工作點 2的情況。究其原因，因為工作點1位于風機性能曲線的陡峭部分，而工作點 2 則位于性能曲線的較平坦部分。所以我們在選擇確定代表風機大小的具體機號時，應該從風機工作點在性能曲線上的位置來對比判斷。眾所周知，同樣阻力和風量的風網，可以選用大小不同、轉速各異的風機，此時就應根據上述原理，在風機效率相近的情況下選擇工作點位于其性能曲線的陡峭部分的風機，以減少在實際生產中風量的過大波動。風量變動過大，必然會影響除塵和風選效果；對氣力輸送系統來說，就容易引起掉料。通常情況下，選用大風機低轉速往往優于選用小風機高轉速。

圖1 風機工況選擇節能原理

2 節流調節
所謂節流調節是在不改變風機本身特性的情況下，通過改變節流檔板的開度（比如用檔板關小風機出口的風門），即改變節流阻力來控制氣體的流量，使管網特性發生改變。改變管網特性常用的方法是在管網中裝設調節閥門，通過閥門的啟閉度，使管網阻力變化而改變風機工況，從而調節風機的輸出風量。如圖2，n為風機在一定轉速下的性能曲線。當其在R1的管網特性曲線下運行時，其工作點為a1，此時的風量和壓力分別為Q1和P1；當調節管網中的閥門使管網特性曲線為R2時，則工作點將從a1移至a2，風機的風量則從Q1降為Q2，而壓力（即管網阻力）則從P1增至 P2。此時，對應于這兩種不同工況下風機的功率（軸功率），可用工作點a與座標軸之間所包圍的面積來表示，因為功率是風量與壓力的乘積。因此，風機工作點在a1時的功率為 OP1a1Q1O 所圍成的面積，在工作點a2時的功率為OP2a2Q2O所圍成的面積。從圖2中可以看出，后者顯然小于前者，即表示通過關小閥門，調小風量，風機能耗得到降低，但降低的幅度要小于風量減少的幅度，亦即另有一部分功率要消耗在閥門的阻力上，如圖中陰影部分。這是閥門調節的缺憾。

圖 2 風機節流節能原理

3 導向器調節
導向器的調節主要是在不改變風道特性的情況下，依靠裝在風機進口處的導向器來改變氣流進人風機葉輪時的方向流，具有預旋作用。它的經濟性要比節流調節法高得多。當風機在50%～60%負荷下運行時，采用導向器調節法可節約電耗約30%～35%。而且導向器的結構較簡單，所以得到較廣泛地應用。

4 速度調節
風機運轉所耗能量
W=KpQt/1000η (1)
式中Q-風機所需通風量(流量)，m3/s；K-與氣體密度有關的系數；p-風機所需風壓，Pa；t-通風時間，h；η-風機系統效率，%。
從式(1)看出，降低風機的風壓與減少風機的流量可以降低風機的電耗。根據風機的相似理論，對于同一臺風機流量Q與轉速n成正比，風壓p與轉速n的平方成正比，軸功率P與轉速n的三次方成正比，即

這就是風機變速調節的基本原理，通過改變風機的轉速能大大降低風機消耗的功率，從而降低風機運轉所耗的能量。下面通過調速節能原理圖與傳統的節流調節方式來進行一下比較，從中不難看出采用調速運行比節流調節有著顯著的節能效果。現在用改變轉速與調節風閥開度對比的方法來分析它們的節能效果。原理如圖3所示。橫縱坐標分別為風機的風量和風壓，曲線1為風機在恒速下的風壓- 風量（H-Q）特性曲線；曲線2為恒速下的功率-風量（PS-Q）特性曲線；曲線 3為管網風阻特性（風門全開）。假設風機在A點工作時效率最高，此時的風量為全量，顯然軸功率PS1=Q1×H1，大小為矩形 H1AQ1O的面積。如果需要將風量減小一半，即風量由Q1減小到Q2，這里采用兩種方法：（1）采用調節風門開度的辦法，則風機的阻力曲線3變到4，風機工作點由A移到B，可以看出，風機的風量雖然減少了，但風壓卻由H1 增加到了H2，其軸功率PS2為矩形 H2BQ2O的面積，與H1AQ1O的面積差距不是太大；（2）采用調節轉速來改變風量的辦法，風機轉速由原來的N1降到N2，可以畫出此時的風機特性曲5，可以看出風壓大幅度的降到H3，軸功率PS3為矩形H3CQ2O的面積。從圖3可以看出第(2)種方法的節能效果非常顯著。

圖 3 風機調速節能原理

5 風機速度調節方式
如上所述，變速調節方法可以達到節能效果，但是，電動機的調速方式有多種方式，我們應根據實際情況選擇一個最佳方式。
從感應式電動機轉速公式可知：
n=(1-s)60f1/P (3)
式中，n-電動機的轉速（轉/min）； f1-電動機端電壓的頻率（Hz）； s-電動機的轉差率；P-電動機定子繞組的極對數。
要改變轉速，可以分別考慮以f1、s、P為變量來討論。對于鼠籠式異步電動機，常用的交流調速方法有調壓調速法、電磁調速法、變極調速變頻調速等。
5.1 調壓調速法
異步電動機的電磁轉矩M正比于電源電壓U的平方（M∝U12），而且額定轉矩MN與轉速成反比關系（MN∝1/n），因此，改變電源電壓即改變電磁轉矩，便改變電動機的轉速。這種方法由于電動機運行于大轉差（ns）下，在調速過程中的轉差功率以熱能形式損耗在轉子中，必須采用特殊的籠型電動機，避免在低轉速時產生大電流而發熱。這種調速方法效率低，其自然機械特性較軟。要想得到穩定轉速，必須采用反饋法，一般適應30kW以下的電機中。
5.2 電磁調速法
電磁調速系統由電磁轉差離合器(電樞與電動機同軸，激磁線圈與輸出端同軸)、籠型電動機和控制器3部分組成的。這種調速法的電機渦流損耗大，速度損耗也大，轉差功率以熱能形式損耗，同樣存在效率低、機械特性軟的缺點。當控制器故障時，負載無法切換至額定轉速運行，因此多適應于100kW以下的電動機中。
5.3 變極調速法
變極調速是電動機定子繞組的極對數P，以改變旋轉磁場和轉子轉速的方法，這種方法雖然具有能調節轉速無附加轉差損耗的優點，但由于電機的極對數只能整數，因此屬于跳躍性的有級變速，須與電磁式調速系統配合才能平滑調速，而且電機外接線多，必須使用專用電動機，很不方便。
5.4 變頻調速法
變頻調速的工作原理是，將三相交流電經大功率整流元件轉變成直流，再將直流電利用正弦波脈寬調制技術，逆變為頻率可調的三相交流電，供電動機使用。
從式（3）式可知，如果保持電動機的極對數P和轉差率s不變，改變電動機定子的供電頻率f，也可改變電動機的轉速n。因為U1≈E1=4.44KN1f1為了保持在調速時電動機的最大轉矩不變，就需要維持電機的磁通不變，即要求U1/ f1=常數，也就是電動機的端電壓U應隨f1作相應的變化。現在市面上為風機的變頻調速提供了許多專用變頻器，如1PM、1GBT或AMB-G7等高性能風機專用數字式變頻調速器。采用數字鍵盤、模擬電位器、觸摸面板控制。應用開環、控制方式和閉環PID控制方式實現壓力控制、流量控制、溫度控制等程序運行，控制方式靈活。同時，應用優化空間矢量PWM控制，輸出電流平穩，具有電流限幅、過壓失速、回升制動、轉速跟蹤、平滑再啟動性能。變頻調速法的調速范圍大，精度高，運行中只要改變電源頻率f1，就能得到與之相對應的不同風機機械特性，實現無級調速。變頻調速技術在節能方面具有世界領先的技術。除上述特點之外，還具有以下優點：
（1）功率因素cosφ=1，從而可以減少無功電流和無功損耗；
（2）工作點穩定，用風設備壓力變化小。如變頻調速中Δf=1.5Hz，Δn=0.36r/min，壓力變化僅±（50～80）Pa；
（3）變頻技術可達到無級調速，風壓變化平緩，減輕了風道振動和軸承磨損，延長了設備的壽命；
（4）應用變頻調速后，電機可以軟起動，起動電壓降減少，對電網的沖擊大幅減少。

6 結束語　
風機的調節方式與節能的關系非常密切，因此，研究并改進它們的調節方式是節能最有效的途徑和關鍵所在。風機的節能問題和技術必須引起飼料生產企業的足夠重視。一要注意風機等設備選用節能型，盡量避免“大馬拉小車”現象。二要從設計、安裝中注意風道、節流環節的合理性，以減小節流損失。盡量使風機的運行風壓和流量接近于額定壓力和流量，使運行工作點長時間地保持在高效率區。三是采用經濟而可靠的調節方式控制風機的運行更是風機節能的當務之急。而調節風機轉速運行的調節方式是提高能源利用效率最佳方法，也是實施可持續發展戰略的重要手段，為了實現人類與自然的協調發展應該走節能之路。
飼料企業工業通風除塵風機的耗電量較大，目前還有相當數量的設備是較陳舊，而且仍采用節流調節的傳統方法，所以從對其進行技改，其節能潛力很大。對于流量調節幅度大，低負荷下運行時間長的風機調速系統，變頻變壓調速法的節能效益和提高自動化程度更為突出。因此，伴隨高科技的進步，高新技術、新設備不斷涌現，風機的調速方面推薦多采用變頻調速法。