罗茨风机变频节能改造

通过变频调速对罗茨风机进行节能改造
摘要：通过对罗茨风机变转速工作特性的分析，对系统进行了变频调速改造。运行效果表明，变频调速改造后的节能效果显着。
1  引言
罗茨风机是均苯四甲酸二酐生产装置中的关键设备，也是较大的耗电设备。我院实训基地均苯四甲酸二酐装置中的罗茨风机为RF240型，其额定工况参数为流量Q=56m3/min，转速n=800r/min，功率N=75kW；驱动电动机为Y315S-6型三相异步电动机。
均苯四甲酸二酐装置生产时，需根据生产负荷、季节、反应情况随时调节进入装置的风量，装置运行近两年来，一直工作在欠载状态，部分风量经旁路放空，造成能源严重浪费。
根据本装置的运行数据统计，罗茨风机工作时的流量一般为额定流量的70%?80%，即所消耗的电能约有20%?30%通过放空被浪费掉了。同时，在放空过程中，噪声很大，达到110dB。对罗茨风机进行节能改造有着显着的经济和环境效应。
2  罗茨风机节能改造方法的确定
罗茨风机属容积回转式风机，其工作特点是当转速一定而压力在允许范围内加以调节时，流量的变动甚微；转速和流量之间保持正比的关系。采用旁路调节法不能改变罗茨风机的吸气量，所以风机始终在满负荷下运行，无法节能。
而改变转速，使风机吸气量发生变化，其功率消耗也随之改变。所以，对罗茨风机进行变速调节就可达到节能的目的，而调速方法也较多（见表1）。
表1  各种调速方法的比较
调速方式	主要
原理	机械特性	功率因数	节电效果	调速范围	投资	装置复杂程度	备注
变较调速	改变电动机较对数	一般	良好	有	有级	少	简单	频繁启动产生大电流，对电动机寿命及电网都有影响
串级调速	改变转子反电势	一般	差	较好	平滑
较宽	较高	较复杂	只适宜于绕线型电动机
串电阻调速	改变转子外加电阻	一般	差	有	较平滑	较少	一般	电阻器能量损耗大
调压调速	改变电动机端电压	较差	良好	有	小	一般	简单	调**率低，只适宜于小型鼠笼电动机
液力耦合调速	控制耦合泵液体流量	差	良好	有	一般
平滑	一般	占地空间较大	旧设备改造困难
变频调速	改变供电电源频率	较好	优	显着	广
平滑	高	较复杂	启动电流小，产生高次谐波对电网略有污染
 
经过比较可以看出，在几种调节方法中，变频调速技术较为先进，它只需通过调节供电电源频率大小，改变电动机转速，即可达到调节罗茨风机流量的目的，而且变频调速**，调速性能好，调速改造方便。因此，决定采用变频调速技术对罗茨风机进行技术改造，不但可达到节能目的，同时也可提高装置的自动控制水平。
3  罗茨风机变频调速改造
3.1  罗茨风机变转速工作特性
3.1.1  流量特性
罗茨风机的理论流量与转子转速的关系式为
                        （1）
式中  Qth??理论流量，m3/min
D??叶轮外径，m
L??叶轮长度，m
???面积利用系数，表征风机气缸空间的有效利用程度（圆弧—渐开线型线的面积利用系数?=0.563?0.521）
n??叶轮转速，r/min
罗茨风机的实际流量Q为
Q=?vQth                           （2）
式中  ?v ??容积效率，一般?v =0.7?0.9
由（1）和（2）式可知，对每一台具体的罗茨风机，其叶轮外径、长度和面积利用系数都是一个定值，当可忽略容积效率?v的变化时，罗茨风机的流量Q正比于转速n。
3.1.2  功率特性
罗茨风机的轴功率为
                    （3）
式中  Nz??轴功率，kW
Qth??理论流量，m3/min
?p??风机进出口压差，Pa
?m ??机械效率，一般取?m =0.9
由式（1）和式（3）可知，当罗茨风机转速n变化时，其轴功率Nz与转速n成正比。
3.1.3  转矩特性
罗茨风机的转矩为
                    （4）
由于罗茨风机的轴功率Nz与转速n成正比，因此由式（4）可知，当转速变化时，转矩不变，即罗茨风机属于恒转矩运行。
3.2  变频调速的工作原理
变频调速的主要工作原理是将三相交流工频电源经大功率整流元件整流，变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调制技术（SPWM）逆变为频率可调、幅度亦随之改变的三相交流电，以此为电源供给电动机使用（图1），可以根据需要将电源频率调节到一定的值。
 
图1  变频器工作原理示意图
罗茨风机的驱动一般采用交流三相异步电动机，其转速与电源频率的关系为
                     （5）
式中  n??电动机转速，r/min
f??电源频率，Hz
P??电动机的磁较对数
s??电动机转差率，额定负载时一般为1.5%?6%之间，对确定的电动机可视为定值
由式（5）可知，转速n正比于电源频率f，调节f就可以达到调节n的目的。
3.3  罗茨风机变频调速的控制方案
根据电动机容量，选用Schneider　Altivar38  90 kW变频器。Altivar系列变频器是一种静止的变频器，适用于高速传动、风机水泵类负载和各种恒转矩负载的传动，在恶劣环境中使用也能保持良好性能。其较大的特点是安装简便，参数显示清晰，性能优越（具有自适应、自调整功能），坚固**（电动机传动装置具有自动保护），维护简单、方便，节能效果明显。
 
图2  变频器接线图
变频器控制接线如图2所示，此变频调速系统有两个主要特点。
（1）保留原有的降压启动装置，以备变频器故障时使用。即，罗茨风机可在工频与变频两种状态下运行。变频柜面板上“工频/变频”选择开关旋至工频时，罗茨风机将工作于原有的降压启动运行回路；当选择开关旋至变频时，罗茨风机处于变频运行状态，风机的调速经变频器进行控制。但应注意，在运行过程中，不得进行工频/变频切换。
（2）变频调速器的控制可以是自动的也可以是手动的。将总控室面板上的“手动/自动”选择开关（图2中SA1）旋至手动时，电动机的调速将由多圈电位器来控制，操作人员根据工艺或外界条件的变化，通过旋转电位器来调整电动机转速；将选择开关旋至自动时，电动机的调速将由温控仪表进行PID控制，或由DCS系统进行控制。温控仪表进行PID控制与DCS系统控制可通过“仪表控制/DCS”选择开关（图2中SA2）进行转换。
4  变频调速的运行效果
4.1  节能
现将变频调速改造前后的装置耗能进行比较（以生产均四甲苯的负荷为30kg/h时）。
（1）改造前耗能（2003年4月）。罗茨风机电动机电流为110?120A，日耗电量1320?1440kW?h，月耗电量39600?43200 kW?h。4月份实际电费4.1万元。
（2）改造后耗能（2003年5月）。罗茨风机电动机电流为70~8**，日耗电量840?1020 kW?h，月耗电量25200?30600 kW?h。5月份实际电费3.49万元。
（3）节能效益。由以上数据可得：每月节约电量14400?12600 kW?h，取下限12600 kW?h，按电价0.55元/ kW?h计算，每月节约电费为12600?0.55元 =6930元。实际（2003年5月）节约电费4.1?3.49=0.61万元。
（4）投资回收时间。变频调速系统技术改造总投资6万元，经9?10个月运行，即可收回全部投资成本，经济效益显着。
4.2  提高控制精度
安装变频器后，引入流量反馈信号，采用变频器的PID闭环控制或DCS控制，转速自动随流量变化，转速稳定即可获得稳定的流量，从而可提高控制精度。
4.3  降低噪声
采用变频调速系统，避免了罗茨风机的旁路放空，噪声从110dB左右降低至60dB左右，大大降低了实训基地的生产噪声。
4.4  设备寿命
由于采用了变频调速技术，电动机启动、调速平稳，不存在启动电流冲击，减少了罗茨风机出口压力瞬间提高对风机的冲击，从而延长了风机及其它设备的使用寿命。而且，罗茨风机和驱动电动机都处于相对额定转速较低的转速上，因而其零部件的机械磨损减少，延长了使用寿命。
5   结论
均苯四甲酸二酐生产装置中罗茨风机变频调速系统的应用，实现了装置的节能运行，提高了罗茨风机的使用寿命，且大大降低了生产装置的噪声。变频器对罗茨风机来说是一种使用方便、故障率低、节能效果明显的设备。变频器的价格较高，变频调速系统的一次性投资较大，但其节能效果明显，本装置变频调速系统投入使用9?10个月便收回全部投资。

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