羅茨風機 變頻 節能 改造：羅茨風機變頻改造節能效益分析

　　原標題：羅茨風機變頻改造節能效益分析

　　山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨鼓風機、羅茨真空泵、回轉風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨風機、水冷羅茨風機、油驅羅茨風機、低噪音羅茨風機，贏得了市場好評和認可。

　　泵與羅茨風機是把機械能轉換為流體壓力能和動能的通用流體機械，在石化、冶金、電廠中使用非常普遍，例如，在熱電廠中，泵與羅茨風機所消耗的電能幾乎占到廠用電的70～80%。提高泵與羅茨風機的效率，合理進行節能技術改造，是企業節能減排的重要途徑。

　　變速調節技術是泵類和羅茨風機普遍采用的一項重要的節能措施，變頻節能改造節能效益和節能量的計算是關系到項目是否具備改造可行性的關鍵因素。目前，對變頻調速技術節能效果的分析，多直接運用相似定律，與實測節能效果存在很大誤差。

　　本文擬分析相似定律的適用范圍，探討切合實際的節能量計算方法，最后通過相關改造項目檢驗其準確性。

　　2 泵與羅茨風機的相似定律

　　根據流體力學原理，對同一臺泵與羅茨風機，相似工況之間的性能參數關系為：

　　（1）

　　式中Q為流量;n為轉速;H對于泵為揚程，對于羅茨風機為壓頭;N為功率。

　　如圖1，A1點的流量和揚程己知為QA1和HA1，任一與A1點相似的工況點參數為Q和H，則：

　　（2）

　　顯然這是一條過原點的拋物線，稱為相似曲線，與A1相似的工況全在這條線上。

　　相似定律的前提是調節前后工況必須相似，但泵運行時，大多存在靜揚程或背壓。此時，兩種轉速下的工況點不直接滿足相似定律。如圖1所示，管路特性曲線為h=hp+SQ2，原工況為A1，對應的轉速為n1。轉速改變為n2之后，泵與羅茨風機的工況點為E2，而轉速為n2時，與A1所對應的相似工況為A2，顯然A2≠ E2。

　　該負荷下的節能率通過計算可表示為：

　　（3）

　　該方法在計算節能量時要知道泵與羅茨風機的性能曲線、管路特性曲線，但這些數據在現場很難得到，因此，在實際改造項目中難以采用。

　　4 基于額定流量和額定功率的計算法

　　對羅茨風機、水泵原采用閥門、擋板進行節流調節，后采用變頻調節，《泵與羅茨風機節能技術》給出了一個節能量計算公式：

　　（4）

　　式中：PL、Q為水泵、羅茨風機采用擋板調節流量時的電機輸入功率和流量;Pe為水泵、羅茨風機額定功率，kW;Qe為水泵、羅茨風機額定流量，m3/s。

　　當流量的調節范圍在（0.5-1）Qe時，電機變頻調節相比節流調節的節電率k為：

　　（5）

　　式中ηb為調速機構效率。

　　將式（4）帶入式（5），即可得到基于電機功率PL、Pe的變頻調速相對于節流調節的節電率計算公式：

　　（8）

　　5 實例計算

　　某熱電公司一次羅茨鼓風機參數為：額定風量m?/h，電機額定功率2400kW，風門開度30～40%。

　　5.1 節電量計算

　　風門開度為30%，羅茨風機運行電流為107A，電機的功率為：

　　PL=1.732×10000×107×0.88=1630.85 kW;

　　羅茨風機的額定功率與電機的額定功率差別較大，因為在設計時電機一般會根據軸功率考慮1.05～1.30的安全系數確定，所以用電機的額定功率除以安全系數作為風門全開時的軸功率，這里取安全系數為1.25，則：Pe=2400/1.25=1920 kW

　　將PL和Pe帶入式（3-13），節電率為： k=27.14%。

　　節電量： ΔP=PL×k=1630.85 ×27.14%=442.61 kW

　　羅茨風機在不同風門開度下的節電情況統計如表1。

　　5.2 節電量計算結果驗證

　　表2和表3分別為工頻和變頻的實際抄表數值及平均每小時耗電量。

　　變頻后實際節電率=（1494-1162）/1494=22.22%

　　由實際統計數據計算一次羅茨風機變頻后的節電率為22.22%，與理論節能量計算結果（23.14%）大致相符，證明所提出的節能量計算方法是適用的。

　　6 總結

　　本文研究了泵與羅茨鼓風機相似定律的適用性，提出了適用于實際項目節能評價的計算方法，并對項目實施后的節能情況進行統計，初步驗證了計算方法的可靠性，還需在后續類似項目中進一步驗證。

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羅茨風機 變頻 節能 改造：羅茨風機的變頻節能改造.doc

　　羅茨風機的變頻節能改造

　　摘 要：某卷煙廠除塵房羅茨風機運行時，經常出現欠載狀態，部分風量經旁路放空，造成能源嚴重浪費。通過分析了羅茨風機變轉速工作特性和變頻調速控制的節能原理，對系統進行變頻節能改造。運行實踐表明，改造后風機采用變頻調速控制運行，性能穩定可靠，能夠獲得顯著的經濟效益。

　　關鍵詞：羅茨風機；變頻器；節能改造

　　一、前言

　　某卷煙廠除塵房主要負責生產車間機臺除塵和煙絲風送，由除塵系統和集塵系統組成，系統采用布袋式除塵器，采用集中集塵并由負壓輸送至壓塵機處理。其中集塵器的負壓由兩臺22KW的羅茨風機提供，一臺用于制絲線集塵，一臺用于卷包線集塵。原風機額定功率的設計選型是根據工藝的最大流量來選擇的，按當時的設計思路，風機的選型一般在滿足工藝負荷工作條件下還要增加一定的裕量。但實際運行中，工藝的運行參數隨各種因素而發生變化，往往實際運行負荷要比設計的最大流量小得多，造成能源浪費的情況。

　　二、問題的提出

　　根據本系統的運行數據統計，羅茨風機實際使用的功率也僅為額定功率的70%--75%左右。，即所消耗的電能有20%～25%被浪費掉。因此，對羅茨鼓風機進行節能改造有著顯著的經濟和環境效應。

　　三、節能改造方法的確定

　　羅茨風機屬容積回轉式風機，其工作特點是當轉速一定而壓力在允許范圍內加以調節時，流量的變動甚微，轉速和流量之間保持正比的關系。采用旁路調節法不能改變羅茨鼓風機的吸氣量，所以風機始終在滿負荷下運行，無法節能。而改變轉速，使風機吸氣量發生變化，其功率消耗也隨之改變。所以，對羅茨鼓風機進行變速調節就可達到節能的目的，而調速方法也較多。若改為變頻調速方式調節風機風量，即能減少風機電耗的浪費。

　　一）羅茨鼓風機變轉速工作特性

　　1、流量特性

　　羅茨鼓風機的理論流量與轉子轉速的關系式為

　　羅茨鼓風機的實際流量為

　　由式（1）和式（2）可知，對每一臺具體的羅茨鼓風機，其葉輪外徑、長度和面積利用系數都是一個定值，當可忽略容積效率的變化時，羅茨鼓風機的流量正比于轉速。

　　2、功率特性

　　羅茨鼓風機的軸功率為

　　由式（1）和式（3）可知，當羅茨鼓風機轉速n變化時，其軸功率與轉速成正比。

　　3、 轉矩特性

　　羅茨鼓風機的轉矩為

　　由于羅茨鼓風機的軸功率與轉速成正比，因此由式（1）可知，當轉速變化時，轉矩不變，即羅茨鼓風機屬于恒轉矩運行。

　　二）變頻調速的工作原理

　　變頻器調速的原理是將交流順變成直流，平滑濾波后再經過逆變回路，將直流變成不同頻率的交流電，使電機獲得無級調速所需的電壓和頻率，從而直接改變和控制電機的輸出軸功率。

　　羅茨風機的驅動采用交流三相異步電動機，其轉速與電源頻率的關系為[3]

　　由式（1）可知，轉速與頻率成正比，只要改變頻率即可改變電動機的轉速，當頻率在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。因此，決定采用變頻調速技術對羅茨鼓風機進行技術改造，不但可達到節能目的，同時也可提高裝置的自動控制水平。

　　四、羅茨風機的變頻改造

　　一）、硬件設計

　　1、變頻器的選用

　　根據電機容量，選用丹佛斯FC300變頻器。

　　丹佛斯FC300系列變頻器的優點：

　　（1） 調速范圍廣，機械特性硬，精度高，運行可靠；

　　（2） 磁通―電流控制（FCC）功能改善動態響應特性，并且優化電動機的控制；

　　（3） 控制不同的負載，具有相應的V/F特性；

　　（4） 變頻器的PID調節器具有較高的品質（參數自整定）可用于簡單的過程控制；

　　（5） 快速電流限制功能（FCL），避免運行中不應有的跳閘；

　　（6）可實現電動機的過壓、欠壓、過熱等功能。

　　2、變頻器控制與調節

　　變頻器可通過在控制柜門“遠程/本地”開關的切換實現“遠程控制”與“本地控制”。“遠程控制”是在主控室內上位機與變頻器進行數據通信，操作人員可通過觸摸屏的畫面對風機和變頻器的工作電流、頻率、轉速以及啟動、停止、故障等狀態進行實時監控。同時操作人員根據工藝或外界條件的變化，通過改變變頻器的頻率來調節轉速。

　　另外，在風機房內還裝有一個本地控制的機旁操作箱，在風機出現故障時可在電機旁進行操作。為了保證生產的連續運行，在變頻器出現故障后，可將故障變頻器通過旁路柜隔離，風機電動機可切換為工頻運行或啟、停控制。

　　二）、PLC與變頻器通訊的實現

　　原除塵系統的配置為：1套PLC主站（S7-300，315-2DP），1個MP 270觸摸屏，現將兩臺羅茨風機的Danfoss FC300變頻器通過現有的PROFIBUS-DP網絡進行PL

羅茨風機 變頻 節能 改造：羅茨風機的變頻節能改造

　　原標題：羅茨風機的變頻節能改造

　　山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨風機、羅茨鼓風機、回轉式鼓風機等水產養殖曝氣設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅羅茨鼓風機、低噪音羅茨鼓風機，贏得了市場好評和認可。產品和服務遠銷全國各地及東南亞，深受客戶好評。

　　某卷煙廠除塵房主要負責生產車間機臺除塵和煙絲風送，由除塵系統和集塵系統組成，系統采用布袋式除塵器，采用集中集塵并由負壓輸送至壓塵機處理。其中集塵器的負壓由兩臺22KW的羅茨風機提供，一臺用于制絲線集塵，一臺用于卷包線集塵。原風機額定功率的設計選型是根據工藝的最大流量來選擇的，按當時的設計思路，風機的選型一般在滿足工藝負荷工作條件下還要增加一定的裕量。但實際運行中，工藝的運行參數隨各種因素而發生變化，往往實際運行負荷要比設計的最大流量小得多，造成能源浪費的情況。二、問題的提出根據本系統的運行數據統計，羅茨風機實際使用的功率也僅為額定功率的70%--75%左右。，即所消耗的電能有20%～25%被浪費掉。因此，對羅茨鼓風機進行節能改造有著顯著的經濟和環境效應。三、節能改造方法的確定羅茨風機屬容積回轉式風機，其工作特點是當轉速一定而壓力在允許范圍內加以調節時，流量的變動甚微，轉速和流量之間保持正比的關系。采用旁路調節法不能改變羅茨鼓風機的吸氣量，所以風機始終在滿負荷下運行，無法節能。而改變轉速，使風機吸氣量發生變化，其功率消耗也隨之改變。所以，對羅茨鼓風機進行變速調節就可達到節能的目的，而調速方法也較多。若改為變頻調速方式調節風機風量，即能減少風機電耗的浪費。一）羅茨鼓風機變轉速工作特性1、流量特性羅茨鼓風機的理論流量與轉子轉速的關系式為羅茨鼓風機的實際流量為由式（1）和式（2）可知，對每一臺具體的羅茨鼓風機，其葉輪外徑、長度和面積利用系數都是一個定值，當可忽略容積效率的變化時，羅茨鼓風機的流量正比于轉速。2、功率特性羅茨鼓風機的軸功率為由式（1）和式（3）可知，當羅茨鼓風機轉速n變化時，其軸功率與轉速成正比。3、 轉矩特性羅茨鼓風機的轉矩為由于羅茨鼓風機的軸功率與轉速成正比，因此由式（1）可知，當轉速變化時，轉矩不變，即羅茨鼓風機屬于恒轉矩運行。二）變頻調速的工作原理變頻器調速的原理是將交流順變成直流，平滑濾波后再經過逆變回路，將直流變成不同頻率的交流電，使電機獲得無級調速所需的電壓和頻率，從而直接改變和控制電機的輸出軸功率。羅茨風機的驅動采用交流三相異步電動機，其轉速與電源頻率的關系為[3]由式（1）可知，轉速與頻率成正比，只要改變頻率即可改變電動機的轉速，當頻率在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。因此，決定采用變頻調速技術對羅茨鼓風機進行技術改造，不但可達到節能目的，同時也可提高裝置的自動控制水平。四、羅茨風機的變頻改造一）、硬件設計1、變頻器的選用根據電機容量，選用丹佛斯FC300變頻器。丹佛斯FC300系列變頻器的優點：（1） 調速范圍廣，機械特性硬，精度高，運行可靠；（2） 磁通―電流控制（FCC）功能改善動態響應特性，并且優化電動機的控制；（3） 控制不同的負載，具有相應的V/F特性；（4） 變頻器的PID調節器具有較高的品質（參數自整定）可用于簡單的過程控制；（5） 快速電流限制功能（FCL），避免運行中不應有的跳閘；（6）可實現電動機的過壓、欠壓、過熱等功能。2、變頻器控制與調節變頻器可通過在控制柜門“遠程/本地”開關的切換實現“遠程控制”與“本地控制”。“遠程控制”是在主控室內上位機與變頻器進行數據通信，操作人員可通過觸摸屏的畫面對風機和變頻器的工作電流、頻率、轉速以及啟動、停止、故障等狀態進行實時監控。同時操作人員根據工藝或外界條件的變化，通過改變變頻器的頻率來調節轉速。另外，在風機房內還裝有一個本地控制的機旁操作箱，在風機出現故障時可在電機旁進行操作。為了保證生產的連續運行，在變頻器出現故障后，可將故障變頻器通過旁路柜隔離，風機電動機可切換為工頻運行或啟、停控制。二）、PLC與變頻器通訊的實現原除塵系統的配置為：1套PLC主站（S7-300，315-2DP），1個MP 270觸摸屏，現將兩臺羅茨風機的Danfoss FC300變頻器通過現有的PROFIBUS-DP網絡進行PLC和變頻器的通訊，變頻器通過PROFIBUS-DP來實現電機的啟/停和調速控制，并把變頻器的實際運行狀態通過PROFIBUS網絡輸送并顯示在觸摸屏MP 270，從而達到對羅茨風機的運行控制目的。五、系統調試及運行效果一）系統改造后的調試完成羅茨風機變頻器改進安裝后，并投入系統運行前的調試，目的主要是檢查所選擇的變頻器性能、改進方案的功能是否達到設計要求以及滿足實際生產需要。經調試，變頻器性能運行非常穩定，達到設計要求。二）運行效果變頻器經過一個月試運行及投入正常使用后，從實際運行來看，變頻運行狀態比較穩定，滿足設計要求，系統穩定可靠。設備方面由于變頻具有軟啟動功能避免了電機啟動時對電機的沖擊損害，轉速的降低，對風機的葉輪、軸承等壽命得以延長，設備運行狀況良好。1、節能效益制絲集塵風機的運行實際工頻大約為42HZ，工作電流為32A；卷包集塵風機運行實際工頻大約為40HZ，工作電流為34A。根據測定數據可計算有功功率，其公式：P=1.732×U×I×cosα改造前：P1=1.732IV cosα=1.732×380×45×0.85=25.17kW制絲集塵改造后：P2=1.732×380×32×0.85=17.90KW卷包集塵改造后：P3=1.732×380×34×0.85=19.02KW每小時節電P節約=2× P1- P2- P3=13.43kW車間每天兩班生產，工作時間16小時，一個月生產天數20天，一個月可節約電能4296.47 kW。2、設備影響（1） 避免了電動機啟動時對電機的沖擊損害及對電網的沖擊；（2） 提高了羅茨風機的自動控制能力；（3） 減少了羅茨風機及其消聲器等的機械振動、噪聲和沖擊；（4） 由于轉速的降低，羅茨風機的葉輪、軸承等壽命得以延長。六、結束語變頻器控制技術用于羅茨風機控制達到顯著的節電效果，提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，經濟效益十分明顯。

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