風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)電技術(shù)原理

1、電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)電氣節(jié)能技術(shù)第5章風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)電技術(shù)原理第一節(jié) 風(fēng)機(jī)節(jié)電技術(shù)風(fēng)機(jī)節(jié)電技術(shù)主要有以下幾種：1風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)電（1）風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)電的基本原理風(fēng)機(jī)耗電量與機(jī)組轉(zhuǎn)速的三次方成正比。通常，設(shè)備是根據(jù)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷條件，即最大流量進(jìn)行選擇的。而實(shí)際生產(chǎn)需要的流量往往比設(shè)計(jì)的最大流量要小得多。為此常常通過調(diào)節(jié)風(fēng)門來控制，結(jié)果在風(fēng)門上造成很大的節(jié)流損耗。 如果改用調(diào)速電機(jī)，則當(dāng)需要的流量減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨著降低，這樣消耗的能量會(huì)顯著減少。 右圖繪出了風(fēng)機(jī)類機(jī)械在不同轉(zhuǎn)速下的典型輸出特性： 曲線R（I）和R（II）表示由輸送氣體管道的阻力所決定的管路特性曲線。 當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速為n1

2、、管道阻力為R（I）時(shí)，輸送的流量Qn由風(fēng)機(jī)的輸出特性H（n1）和管路特性R（I）的交點(diǎn)A決定。 這時(shí)風(fēng)機(jī)輸出的壓力是HA，所需軸功率是（為風(fēng)機(jī)效率） 現(xiàn)在如果需要的流量只是 ，在管道阻力不變的情況下，實(shí)際所需的壓力只是HC，應(yīng)比HA下降。但是如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)流量為 時(shí)，風(fēng)機(jī)的輸出壓力反而要增高到HB。這個(gè)壓頭差值就是需要通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、增加管道阻力，使管道特性由R（I）變成R（II）來實(shí)現(xiàn)的。 這時(shí)風(fēng)門上的損耗等于： 這時(shí)風(fēng)門上的損耗等于： 如果不采用關(guān)小風(fēng)門的辦法，而是把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降到n2，使風(fēng)機(jī)的輸出特性變成H（n2），則隨著風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量減少，在輸送同樣流量的情況下，原來消耗在風(fēng)

3、門上的功率Nfm就可以避免。 因此，具有明顯的節(jié)能效果。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，可節(jié)電20%30%。 下圖為采用不同調(diào)節(jié)方法時(shí)風(fēng)機(jī)的功耗曲線。其中：出口采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)；進(jìn)風(fēng)口采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)；進(jìn)口采用軸向?qū)Я髌鳎ㄓ糜陔x心式），進(jìn)口采用靜葉調(diào)節(jié)器（用于軸流式）；可控硅串激調(diào)速，電磁離合器調(diào)速，電機(jī)變極調(diào)速，耦合器調(diào)速；變頻調(diào)速。 在進(jìn)風(fēng)口安裝調(diào)節(jié)風(fēng)門，其調(diào)節(jié)效果雖然不算很好，但比在出口側(cè)安裝調(diào)節(jié)風(fēng)門要好得多，目前多用于離心通風(fēng)機(jī)上。在子午加速軸流通風(fēng)機(jī)上用的導(dǎo)流調(diào)節(jié)器，類似于軸流通風(fēng)機(jī)中進(jìn)口靜葉調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其調(diào)節(jié)效果比離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板為好。它是軸流通風(fēng)機(jī)靜葉調(diào)節(jié)的一種最好型式。改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其節(jié)電效果最好

4、，尤其是變頻調(diào)速。 （2）通過改變轉(zhuǎn)速使風(fēng)機(jī)容量適應(yīng)負(fù)荷要求改變轉(zhuǎn)速能改變風(fēng)機(jī)的特性。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1改變?yōu)閚2時(shí)，風(fēng)量Q、靜壓力Hj及軸功率N將按以下關(guān)系式變化 式中各符號(hào)的下角數(shù)字表示從狀態(tài)1到狀態(tài)2。（3）風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)電風(fēng)機(jī)與水泵負(fù)載一樣，都是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。因此有關(guān)水泵變頻調(diào)速節(jié)電的內(nèi)容同樣適用于風(fēng)機(jī)。 2風(fēng)機(jī)葉輪改造節(jié)電（1）切短或加長葉輪葉片當(dāng)使用中的風(fēng)機(jī)流量比實(shí)際所需要的流量大（或?。┒植荒懿捎谜{(diào)速控制時(shí)，可將原有風(fēng)機(jī)的葉片頂端切去（或加長）一段。所切去或加長的尺寸，應(yīng)由流量和直徑的關(guān)系決定。當(dāng)加長或切短的葉片長度不超過原葉輪直徑的20%時(shí)，風(fēng)機(jī)相對(duì)性能的改變，有下列近似關(guān)系式

5、 流量風(fēng)壓軸功率式中，D1、D2 改造前、后的葉輪直徑。式中各符號(hào)的下角標(biāo)表示改造前、后的量。 改造后電動(dòng)機(jī)的輸入功率為 式中，d 電動(dòng)機(jī)效率，一般中小型電動(dòng)機(jī)為75%85%，大型電動(dòng)機(jī)為85%94%，實(shí)際值以制造廠提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)； t 傳動(dòng)裝置效率。 改造后的葉輪直徑為 上述方法，通常在風(fēng)量減少（或增加）10%20%時(shí)采用，若超出20%，則采用調(diào)換小容量（或大容量）的葉輪為宜。 （2）調(diào)換小容量葉輪當(dāng)風(fēng)量減少超出20%時(shí)，由于葉輪葉片外徑切削部分過大，運(yùn)轉(zhuǎn)范圍變狹，將會(huì)使風(fēng)機(jī)效率下降。這時(shí)可以采用調(diào)換成小容量的葉輪。（3）減少多級(jí)增壓風(fēng)機(jī)葉輪的級(jí)數(shù) 當(dāng)葉輪級(jí)數(shù)為23級(jí)的場(chǎng)合，可采取切短葉輪葉

6、片的方法減少風(fēng)量；而當(dāng)葉輪級(jí)數(shù)超過56級(jí)的場(chǎng)合，可采取抽去葉輪級(jí)數(shù)的方法減少風(fēng)量。要注意：當(dāng)抽去高壓側(cè)級(jí)數(shù)時(shí)，主要表現(xiàn)為壓力降低；當(dāng)抽去低壓側(cè)級(jí)數(shù)時(shí)，則壓力和風(fēng)量均減小。 （4）減少或增加葉輪寬度 當(dāng)原風(fēng)機(jī)的壓力能克服管道阻力，只是流量大于（或小于）實(shí)際所需要的流量而又不能采用調(diào)速控制時(shí)，可以用減少（或增加）葉輪寬度的辦法來滿足需要。因?yàn)榧訉捁に噺?fù)雜，有時(shí)全部更換葉片，只利用原有的前后盤。減少或增加葉輪寬度的尺寸，應(yīng)按流量決定，有下面的近似關(guān)系式 式中，b1、b2改造前、后的葉輪寬度。 3風(fēng)機(jī)串、并聯(lián)運(yùn)行節(jié)電計(jì)算風(fēng)機(jī)可以根據(jù)實(shí)際需要的負(fù)荷情況，采取串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行方式。串、并聯(lián)后風(fēng)機(jī)特性曲線將改

7、變。（1）風(fēng)機(jī)串聯(lián)運(yùn)行特性在不改變管道系統(tǒng)的情況下，將性能如下圖中虛線所示的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，總靜壓力如實(shí)線所示。 該實(shí)線與管道系統(tǒng)的阻力曲線R的交點(diǎn)A，即為工作點(diǎn)。這時(shí)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的流量為Q2，靜壓力為Hj2/2。 因?yàn)槭怯尚阅芟嗤膬膳_(tái)串聯(lián)組成（2）風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行特性控制風(fēng)機(jī)的并聯(lián)臺(tái)數(shù)是減小運(yùn)行風(fēng)機(jī)的軸功率的有效方法。在不改變管道系統(tǒng)的情況下，將性能如下圖中虛線所示的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)，其總靜壓力如圖中實(shí)線所示。 該實(shí)線與管道系統(tǒng)的阻力曲線R的交點(diǎn)A，即為工作點(diǎn)。這時(shí)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的流量為Q2/2，靜壓力為Hj2。 第二節(jié) 水泵節(jié)電技術(shù)水泵節(jié)電技術(shù)主要有以下幾種：1水泵調(diào)速節(jié)電（1）水泵調(diào)速節(jié)能的基本原

8、理水泵的耗電量與機(jī)組的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。在使用恒定轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)而通過調(diào)節(jié)閥控制出水量時(shí)，隨著管道阻力的增加，由下圖中的R（I）變成R（II），工作點(diǎn)由A移動(dòng)到B，出水量由Q1減少到Q2。同時(shí)，揚(yáng)程由H1增加到H3，因而軸功率由N1變成N2。 如果使用調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制出水量，則隨著泵的出水量的變化，若要使管道末端的壓力總保持恒定，就可以改變泵的轉(zhuǎn)速，如圖中相應(yīng)的轉(zhuǎn)速從n1減少到n2，工作點(diǎn)由A移到C，出水量由Q1減少到Q2，揚(yáng)程由H1變?yōu)镠2。 從上面分析可知，上述兩種方法都可以控制出水量。 但由調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制時(shí)，使泵在B點(diǎn)運(yùn)行時(shí)所消耗的電力（軸功率）N2為 由調(diào)速方式使泵在C點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，所消耗的

9、電力（軸功率）N3為 因此，通過調(diào)速來控制出水量比用調(diào)節(jié)閥控制出水量所節(jié)約的電力為 （2）調(diào)節(jié)閥門上的電能損耗計(jì)算 當(dāng)泵出口壓力高于需要值時(shí)，若用調(diào)節(jié)閥門（節(jié)流閥門）調(diào)節(jié)，這時(shí)調(diào)節(jié)閥門上的電能損耗為 式中，H 富裕揚(yáng)程，即調(diào)節(jié)閥門上的壓降，Pa。 （3）通過改變轉(zhuǎn)速使泵的容量適應(yīng)負(fù)荷變化改變轉(zhuǎn)速能改變泵的特性。當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速由n1改變?yōu)閚2時(shí)，流量Q、揚(yáng)程H及軸功率N按下列關(guān)系變化為 當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速由n1改變?yōu)閚2時(shí)，流量Q、揚(yáng)程H及軸功率N按下列關(guān)系變化為式中各符號(hào)右下角數(shù)字1、2分別表示轉(zhuǎn)速改變前、后的量。一般，當(dāng)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的20%左右范圍內(nèi)變化時(shí)，泵的效率變化很小，可以認(rèn)為基本不變。采用泵調(diào)

10、速措施，初期投資較大，但節(jié)能效果顯著，尤其適用于大容量泵。 但要注意：揚(yáng)程越大，阻力曲線越平，即使轉(zhuǎn)速稍有變化，流量也會(huì)大幅度變動(dòng)，且節(jié)能效果較差。 2水泵變頻調(diào)速節(jié)電（1）變頻器的選用平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載變頻器的選用 水泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)載為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，可選用通用變頻器或節(jié)能型變頻器。通用變頻器的電壓/頻率（U/f）模式如下圖所示。U/f =定值低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩非常小，對(duì)變頻器的運(yùn)行溫度、轉(zhuǎn)矩等都不存在問題，只需考慮在額定點(diǎn)變頻器運(yùn)行引起的損耗增大即可。如采用節(jié)能型變頻器，能取得更好的節(jié)能效果，比調(diào)節(jié)擋板、閥門可節(jié)能40%50%。 若不進(jìn)行U/f一定的控制，而采用上圖中虛線所示的U/f模式下頻率，則電動(dòng)機(jī)

11、效率提高，節(jié)能效果更大。 U/f =定值變頻器選擇示例以瑞典ABB公司的SAMIGS系列變頻器為例，根據(jù)負(fù)載特性及電動(dòng)機(jī)功率選擇變頻器可參見下表。 水泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)載時(shí)變頻器容量的計(jì)算 水泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)載時(shí)變頻器的額定電流IfN應(yīng)不小于倍電動(dòng)機(jī)的額定電流IN，即 IfN IN 根據(jù)起動(dòng)、加速、最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可按下表選擇變頻器的容量。 選擇和使用變頻器時(shí)的注意事項(xiàng)A 只有當(dāng)額定頻率時(shí)，（如50HZ），電動(dòng)機(jī)才有可能達(dá)到額定輸出轉(zhuǎn)矩。B 在大于或小于額定頻率下調(diào)速，電動(dòng)機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩都不可能用足。例如，當(dāng)頻率調(diào)到20HZ時(shí)，電動(dòng)機(jī)能達(dá)到的輸出轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的80%；當(dāng)頻率調(diào)到10HZ，輸出轉(zhuǎn)矩約為

12、額定轉(zhuǎn)矩的50%。如果不論轉(zhuǎn)速高低，都需要有額定輸出轉(zhuǎn)矩，則應(yīng)選用功率較大的電動(dòng)機(jī)降容使用才行。對(duì)于平方轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)到額定頻率以上，則所需功率急劇增加，有時(shí)超過電動(dòng)機(jī)、變頻器的容量，導(dǎo)致不能運(yùn)轉(zhuǎn)或過熱，所以不要輕易提高頻率。 （2）變頻調(diào)速線路電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行變頻調(diào)速線路如下圖所示工作原理：調(diào)節(jié)頻率給定電位器RP，設(shè)定電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度。按下運(yùn)行按鈕SB1，繼電器KA得電吸合并自鎖，其常開觸點(diǎn)閉合，F(xiàn)R-COM連接，電動(dòng)機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行；停止時(shí)，按下停止按鈕SB2，KA失電，F(xiàn)R-COM斷開，電動(dòng)機(jī)停止。采用國產(chǎn)JP6C型變頻器的三速運(yùn)行線路線路如下圖所示 工作原理：JP6C型變頻器

13、設(shè)有多速選擇信號(hào)端子（這里僅用三速），因此不需要選用件。頻率的給定可以有三種速度，高速、中速和低速用各自的給定電位器調(diào)速。繼電器KA1、KA2、KA3相互連鎖。若按下按鈕SB1，繼電器KA1吸合并自鎖，其常開觸點(diǎn)閉合，X1-COM連接，另一副觸點(diǎn)將FWD-COM連接，電動(dòng)機(jī)按高速指令運(yùn)行；同樣，按下按鈕SB2和SB3，電動(dòng)機(jī)將分別按中速和低速指令運(yùn)行。 一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行線路線路如下圖所示 工作原理：調(diào)節(jié)操作單元的電位器RP（圖中未標(biāo)出），設(shè)定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。按下起動(dòng)按鈕SB1，接觸器KM得電吸合并自鎖。這時(shí)操作單元信號(hào)從STF輸出，變頻器FR-COM連接，各電動(dòng)機(jī)按同一轉(zhuǎn)速運(yùn)行。停

14、機(jī)時(shí)，按下停止按鈕SB2，接觸器KM失電釋放，同時(shí)變頻器FR-COM斷開，電動(dòng)機(jī)停止。 3水泵葉輪改造節(jié)電（1）車削或更換葉輪 當(dāng)使用中的泵流量比實(shí)際所需要的流量大、而又不能采用調(diào)速控制時(shí)，可將原有泵的葉輪車削一段或更換葉輪，這時(shí)泵的相對(duì)性能將按下列近似關(guān)系式改變（假設(shè)原來的葉輪出口寬度b在出口附近不變） 式中，D1、D2 改造前、后泵的葉輪外徑。改造后電動(dòng)機(jī)的輸入功率為改造后的葉輪直徑為 上述改造只限于離心泵。 下圖為葉輪加工前后泵特性改變情況。曲線I和II分別對(duì)應(yīng)切削前后的Q-H特性。實(shí)際上，加工前后葉輪出口寬度和出口角度等都要發(fā)生變化，這樣就會(huì)破壞形狀相似性，因此要使上述各式成立，加工比

15、D2/D1應(yīng)大于。 特別是葉輪出口寬度b大的泵（B型），Db幾乎不變。這種場(chǎng)合，通過加工，泵的特性變化與A型的稍有不同。 按表中公式求得的各值是近似值，為了避免過量切削，建議逐步切削。很多泵的葉輪處于A型和B型之間，加工時(shí)的性能改變可以這兩種型式作參考。以上兩種葉輪的實(shí)際加工量要比計(jì)算加工量大，這是由于受葉輪交叉影響的結(jié)果。葉輪加工量修正曲線如右圖所示。 另外，泵的效率因葉輪加工而降低。下圖為進(jìn)行外徑加工后的場(chǎng)合，將各外徑的揚(yáng)程曲線效率相等的點(diǎn)連接起來的等效曲線圖，可以作為葉輪加工時(shí)估計(jì)泵效率降低的標(biāo)準(zhǔn)（供參考）。 （2）抽去葉輪葉片（改變級(jí)數(shù)）該方法不能改變流量，只能改變揚(yáng)程，即有下列關(guān)系式

16、 此法也只限于離心泵。抽出前段葉片比抽出后段葉片效率降低的少。 4減少管道阻力和選擇合理揚(yáng)程的節(jié)電計(jì)算（1）減少管道阻力的節(jié)電計(jì)算消除管道上多余的管件和不必要的轉(zhuǎn)彎及銳角，以減少管道阻力，能降低輸送水的單位耗電量。阻力損失可按下列公式計(jì)算：直線段管道的管中阻力損失為 式中，H 阻力損失，Pa； 沿程阻力系數(shù)； L 管道長度，m； Q 流量，m3/s； D 水管直徑，m； g 重力加速度，等于2。 局部阻力的壓頭損失為 式中，H 阻力損失，Pa； 沿程阻力系數(shù)； L 管道長度，m； Q 流量，m3/s； D 水管直徑，m； 局部阻力系數(shù)； g 重力加速度，等于2。 （2）選擇合理的揚(yáng)程當(dāng)泵的揚(yáng)程

17、留有過多余量時(shí)，會(huì)浪費(fèi)電能，因此應(yīng)合理確定泵的運(yùn)行點(diǎn)的揚(yáng)程。對(duì)于一定的供水系統(tǒng)，泵的揚(yáng)程應(yīng)滿足以下公式 式中，Hj 泵的靜揚(yáng)程，即為吸入容器A與供水容器B 之間的液面高度差，m； HB-HA 供水容器B與吸入容器A的液面壓力差，Pa； 液體重度，N/m3。 5更換泵及電動(dòng)機(jī)的節(jié)電計(jì)算（1）采用新式效率高的水泵代替老式效率低的水泵節(jié)電量計(jì)算 式中，A 更換后泵的節(jié)電量，kWh； Q 水泵實(shí)際流量，m3/s； H 水泵實(shí)際揚(yáng)程，m；2、1 新式水泵和老式水泵的效率； 水泵運(yùn)行時(shí)間，h。 （2）更換電動(dòng)機(jī)的計(jì)算當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率大于實(shí)際需要時(shí)，可用更換電動(dòng)機(jī)的方法節(jié)電。更換電動(dòng)機(jī)功率的確定 先根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)測(cè)電流I1從電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性曲線上查出電動(dòng)機(jī)的輸入功率P1、輸出功率P2和功率因數(shù) 。 然后根據(jù)輸出功率P2選擇一臺(tái)更換用的電動(dòng)機(jī)，其額定功率可按下式確定： 更換電動(dòng)機(jī)后節(jié)電量計(jì)算 先用原電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率P2從更換電動(dòng)機(jī)的負(fù)載曲線上查出電流I2、輸入功率和功率因數(shù) 。 然后由下式求得所節(jié)約的有功功率 所節(jié)約的無功功率為 6水泵串、并聯(lián)運(yùn)行節(jié)電