第1期山西焦煤科技2008年1月Shanxi Coking Coal Science TechnologyJan.2008試驗研究·風機變頻節(jié)能及節(jié)能預算方法的研究杜欣慧①王孝(太原理工大學電氣與動力工程學院)摘要論述了風機節(jié)能原理,并對幾種常用的節(jié)能調(diào)節(jié)方法進行了比較,得出變頻調(diào)速為最理想的節(jié)能調(diào)節(jié)方法,且對變頻調(diào)速節(jié)能的本質(zhì)進行了分析。對風機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的組建進行了闡述,并針對礦井通風變頻器的選擇和頻率信號控制器的選擇進行了分析,風機作為一種對轉(zhuǎn)速精度要求不高的負載,變頻器可選擇最廉價的SPWM脈寬調(diào)制的減平方轉(zhuǎn)矩變頻器,為了適應礦井惡劣環(huán)境,可采用PLC進行遠程通信。指出傳統(tǒng)節(jié)能預算之所以誤差較大的誤區(qū),得出風機節(jié)能預算的法和公式。關(guān)鍵詞變頻器;PLC;節(jié)能預算“十五”以來,隨著我國國民經(jīng)濟取得可喜的成阻力最小,風機運行在高效區(qū),則風機耗電量最小以績我國能源日益緊張能源從2001年開始制約我國下針對常用的風機節(jié)能調(diào)節(jié)方式進行比較得到一種國民經(jīng)濟的發(fā)展,2006年中央提出把節(jié)約資源作為最節(jié)能的調(diào)節(jié)方式?；緡?在我國第二產(chǎn)業(yè)一工業(yè)在能源消耗中占據(jù)比重較大,因此,節(jié)能已成為工業(yè)發(fā)展的重中之重。據(jù)中國電工學會統(tǒng)計,風機水泵作為同一類負載,其耗電量占工業(yè)用電量近一半,占全國總發(fā)電量的31%,且絕大部分工作在變流量情況下,節(jié)能潛力巨大,因此,做好風機、水泵的節(jié)能已成為工業(yè)節(jié)能重點風機的節(jié)能途徑1.1風機性能分析風機的性能曲線是指在一定的轉(zhuǎn)速下風壓P功圖1風機在不同轉(zhuǎn)速下的Q-P曲線率N(軸功率)、效率η與流量Q的關(guān)系曲線,風機作為一種流性機械,其性能曲線復雜多變。要使風機的理論節(jié)能量達到最大,必須對其性能曲線進行詳細分析。圖1為風機在不同轉(zhuǎn)速下的Q-P曲線n1、n2、n3(m1>n2>n3),其中:a、b、c為管網(wǎng)阻力曲線,其與n1、n2、n3的交點為風機的運行工礦點。圖2為風機在一定轉(zhuǎn)速下的Q-n曲線,其中虛圖2風機在一定轉(zhuǎn)速下的Q-7曲線線為理論曲線實線則為實際風機的性能曲線。由上1.2中國煤化工述性能曲線可得到:如果能在風機運行中,保持管網(wǎng)CNMHG①作者簡介:杜欣慧女1965年出生1989畢業(yè)于太原理工大學碩士研究生教授太原030042008年第1期杜欣慧等:風機變頻節(jié)能及節(jié)能預算方法的研究211)從選型上應選擇與實際工況匹配的風機。的同時,P同時下降,在滿足工況要求的情況下,節(jié)能2)從風機管路設(shè)計上盡量減少管網(wǎng)阻力。效果最佳,故風機變頻節(jié)能被認為是最經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方3)對風機進行變工況運行控制。通常,風機選式所以變頻調(diào)速因其轉(zhuǎn)差功率不變、風機效率高、調(diào)型和管路設(shè)計在前期設(shè)計時已固定如要進行改動是速范圍寬、可實現(xiàn)軟啟動、占地面積小可一機多用不切實際的,因此,風機變工況運行成為風機運行節(jié)改造方便以及節(jié)能效果顯著現(xiàn)正逐步成為風機節(jié)能能的重點。改造的主要手段。風機變工況運行的幾種常用方法比較:1)節(jié)流調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)節(jié)是在風機轉(zhuǎn)速一定的情況下,利用開關(guān)壓力閥門以改變管網(wǎng)曲線來調(diào)節(jié)風機流量(見圖1)。風機在轉(zhuǎn)速為n1,運行工礦點為A點此時流量為Q1,風壓為q1,當通過壓力閥門使其流量變?yōu)镼2時,則相應風壓升高為q2,管網(wǎng)阻力升高,工礦點變?yōu)锽點。風機輸入軸功率未變,大部分Q叫的電能被消耗在管網(wǎng)和閥門上,節(jié)能效果較低。節(jié)流圖3風機在不同轉(zhuǎn)速下的變工礦運行調(diào)節(jié)浪費能源表現(xiàn)在:a)節(jié)流調(diào)節(jié)后,雖然流量下2風機變頻節(jié)能降,但軸功率沒有下降,風機效率下降,造成能源浪2.1變頻調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)費。b)節(jié)流調(diào)節(jié)后,壓頭升高,使單位流量的能耗增風機變頻節(jié)能改造系統(tǒng)示意圖,見圖4加。c)節(jié)流后,可能使運行點偏離運行高效區(qū),造成用戶給定信號能源浪費。因此,節(jié)流調(diào)節(jié)是一種不經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方法“時2)液力耦合器調(diào)速節(jié)能。液力耦合器調(diào)速是利用液體傳遞扭矩,在電動機轉(zhuǎn)速恒定的情況下,通過耦合器當中的泵輪與渦輪及勺管等裝置的調(diào)節(jié),使液體傳遞扭矩而改變風機的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式雖然圖4風機變頻系統(tǒng)示意圖比較成熟且具有功率因數(shù)高、維護方便等特點曾得到1)變頻器的選擇。由于風機類負載在過載能力過廣泛應用,但因?qū)儆诨钫{(diào)速所以有滑差功率損方面的要求較低,由于負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正失,調(diào)速范圍相對較窄,與離心式風機匹配調(diào)速范圍比,所以低速時負載較輕。又因為這類負載對轉(zhuǎn)速的較小,且占地面積大,配用設(shè)備較多,改造較麻煩。隨精度要求不高,故可選擇比較廉價的普通功能型通用著近年來變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展,已有被完全取代變頻器。因通用變頻器大多采用SPWM調(diào)制,變頻的趨勢。器的使用會給電網(wǎng)帶來高次諧波分量,故在選型E3)變頻調(diào)速節(jié)能。隨著近幾年變頻調(diào)速技術(shù)的要盡量選取高次諧波小的變頻器。趨成熟,變頻器的使用已成為各種類型電動機調(diào)速2)頻率信號控制。以礦用通風機為例,對風機的主要手段。在風機的節(jié)能改造方面利用變頻改造變頻調(diào)速的頻率給定問題進行闡述。一般認為,變頻亦能取得較好的節(jié)能效果。風機變頻調(diào)速是在不改調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速的50%,最好處于75%變管網(wǎng)阻力(即相似工況)的情況下,通過改變輸入100%之間,并應根據(jù)實際工礦確定。最小轉(zhuǎn)速可根電流頻率來改變風機轉(zhuǎn)速使風機保持高效運行,以據(jù)實V凵中國煤化工行確定受礦井環(huán)達到調(diào)節(jié)風機流量的目的見圖3。風機在變頻調(diào)速境較卻CNMHG制器的選擇宜采時管網(wǎng)阻力不變,風機運行在相似工況條件下,風機用PLC控制,可通過PLC與變頻器遠程通信實現(xiàn)轉(zhuǎn)效率幾乎保持不變,故相似工況點就是等效率點(A、速控制,工作可靠B、C點),風機保持在高效區(qū)運行,且在流量Q下降對于變頻器控制信號的整定可采用常規(guī)的PD山西焦煤科技2008第1期控制。PID控制屬于偏差控制,一般需將被控量設(shè)定在實際風機變頻改造中應根據(jù)風機運行工作點、初值在控制過程中利用偏差進行PD調(diào)節(jié)以保持風機特性曲線和效率曲線進行節(jié)能預算得到的預算被控量恒定不變。在礦井瓦斯監(jiān)測中宜采用PD控值才能接近實際中的節(jié)能量。制設(shè)定瓦斯?jié)舛仍谝?guī)定值以下,利用瓦斯傳感器所對于風機效率,實際運行中的風機,其等效率曲采集的信號與設(shè)定值的偏差進行風機轉(zhuǎn)速控制在控線與利用相似定律計算出的等效率曲線有一定偏差制風量滿足實際工礦條件下達到節(jié)能目的。特別是在低速時,實際效率曲線不是通過坐標原點,22節(jié)能預算而是向效率較高的方向偏移,見圖5,圖5中虛線為通常認為風機在相似工況下(即管網(wǎng)阻力近似根據(jù)相似定律計算得到的等效率曲線,實線為由試驗不變)不同轉(zhuǎn)速時,其性能參數(shù)滿足如下關(guān)系測得的等效率曲線因此可以在風機變頻調(diào)速運行中Q=1P=(2y;M=();通過實際測量后得到,并通過曲線擬合得到一條風機Q2 n,效率曲線。對于風機變頻后的節(jié)能預算,不能簡單地以流體力學的這些基本定律進行,否則會出現(xiàn)預算量與實際節(jié)能量相差較大的后果。簡單地以流體力學基本定律進行計算主要存在以下誤區(qū)1)風機風門全開時的實際運行點不一定就是風機設(shè)計的額定工作點風機運行點與實際工況條件有很大關(guān)系,應根據(jù)實際工況進行測定。2)也不能簡單地認為電動機的額定功率就是風機的軸功率,因為在選取電動機時會以風機的功率為圖5實際風機等效率曲線基準并留有一定余量。若忽略電動機效率傳動效率和變頻器效率在變3)還有的簡單地把風機利用閥門進行調(diào)節(jié)時的頻前后的變化,風機變頻運行前后的節(jié)能量P可按閥門壓力損失當作變頻調(diào)速后的節(jié)能量,這是完全錯以下公式進行。誤的。因為閥門調(diào)節(jié)使風機效率降低,有很大一部分P, = Pal能量損失在了管路中,但從上面對變頻調(diào)速的分析中勿n)可以看出,風機變頻調(diào)速運行中風機效率始終保持在式中:Pm和P一變頻前和變頻后的變頻器輸入功高效區(qū),幾乎不變這是變頻調(diào)速之所以節(jié)能的根本。率;對于風機調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能應從系統(tǒng)整體考慮T和m一變頻前和變頻后的風機效率。因為在風機變頻運行過程中,風機有效功率P,風機3結(jié)語輸入功率(即軸功率)N電動機效率ηn,變頻器效率在我國各行業(yè)中,風機應用很廣泛,傳統(tǒng)的利用7傳動效率ma,風機效率v,這些量在實際運行中節(jié)流閥門來進行風量調(diào)節(jié),效率低下能源消耗嚴重。都是隨風機轉(zhuǎn)速的變化而不斷變化的,且各量有如下在進行變頻節(jié)能后,節(jié)能效果可觀風機運行效率高關(guān)系節(jié)能效果顯著。故隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子N= Po/n Pin = N/(n,mmna)技術(shù)的不斷進步風機變頻節(jié)能將成為風機節(jié)能的主式中:P一變頻器輸人功率。要手段。收稿日期2007-11-06[1]麻文軍變頻調(diào)速供水節(jié)能效率分析與計算方法[刀科技與經(jīng)濟,200(4dHA中國煤化工文CNMHG[2]商坤王建軍變頻調(diào)速在煤礦礦井通風機上的應用[刀媒礦安全,200(0)[3]劉應誠邵萬珍風機、水泵調(diào)速節(jié)能技術(shù)問答[運行與應用,20063)(下轉(zhuǎn)第33頁)2008年第1期王江澤等:礦井通風系統(tǒng)數(shù)學評價方法研究33神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測中根據(jù)具體情況不斷吸收新樣本使色因素。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析能夠撇開復雜指標而待識別樣本神經(jīng)元的最大值最小值包含在訓練樣本對主要指標進行分析對準確礦井通風系統(tǒng)評價具有中,這樣可以提高識別的準確性定指導意義。結(jié)論3)選擇評價成莊礦通風系統(tǒng)的11個主要控制1)對成莊礦通風系統(tǒng)評價指標關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果指標,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立了礦井通風系統(tǒng)評價表明,影響成莊礦通風系統(tǒng)的關(guān)鍵指標是用風地點風神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),對礦井通風系統(tǒng)進行了評價,評價結(jié)流穩(wěn)定性、有效風量率、噸煤通風機電費果證明,運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評價礦井通風系統(tǒng)是2)礦井通風系統(tǒng)評價指標涉及到許多模糊性、可行的。隨機性,即呈現(xiàn)灰色特性的因素,應用灰色關(guān)聯(lián)分析法能定量地處理礦井通風系統(tǒng)評價指標設(shè)計中的灰收稿日期200-12-17文獻[1]羅慶成徐園新灰色關(guān)聯(lián)分析與應用[M].南京:江蘇科學技術(shù)出版社,1989[2]傅立灰色系統(tǒng)理論及其應用[M],北京科學技術(shù)文獻出版社1992[3]施鴻寶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應用[M]西安:西安交通大學出版社,1987[4]郭德勇李念友裴大文等煤與瓦斯突出預測灰色理論[刀.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究,2007Evaluation Method of Mine VentilationSystem by mathematicsWang Jiangze Liu Xiangbing Liu YingliangAbstract Applying the grey theory and neural network method to evaluate mine ventilation system, grey corre-lation method of grey systems theory was applied to determine main controlling index of the mine ventilation systemperformance and filtrate evaluation index. On this basis, the artificial neural network model and system architecture ofthe ventilation systems evaluation is establishedKey words Evaluation of mine ventilation system; Gray relevancy; Artificial neural network(上接第22頁Research on Variable Frequency Speed Control of Fans andBudget Method for Energy SavingDu Xinhui Wang XiaoAbstract Discusses the energy-saving principle of fans and compares several of general methods for energyving, to get the conclusion that variable frequency speed control is the most ideal control method of fans controllyses essence of energy-saving cause by variable frequency speed control. Finally, fans for coal mineis taken for example, the system of variable frequency speed control中國煤化工 -for energy savingCNMHGKey words Converter i PLC; Budget method for energy saving