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你了解冷冻水泵是如何提高变频技术进行调速的吗?

  说到风机和水泵的节能技术改造,人们会想到采用变频器的变频调速技术。但是,当设备的工况比较稳定时,是否有必要采用变频调速技术实现节能技术改造,答案是否定的,下面是一个这样的例子。
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  设备概述

  冷冻水泵变频调速的节能原理

  很多风机、泵都是恒速驱动电机,但实际生产中对风、水流的要求,在量产离心泵给定的工况下,甚至在变工况下,往往是行不通的。而且系统配置设计中还有很多设备,在选择设备时为了降低匹配成本,总是选择市场量产的产品进行配置。为保证设备给定的产出率,大部分产能选择过大,系统匹配有储备余量,在实际生产中往往出现“大马拉大车”,造成大量能源浪费。因此,做好这方面的节能工作对企业效益具有锦上添花的意义。

  项目简介

  本系统采用两台10kw陶瓷离心泵作为生产工艺设备的冷却水循环驱动泵,分别为两个管道系统提供闭路水,运行方式为互为备用(带连接管阀),将-30℃的冷冻水送至各设备冷却。由于生产工艺不同,冷却要求不同,水泵的循环流量往往在最大值和最小值之间的不同工况下工作。在过去的工作中,常采用阀门节流或旁通来控制流量(,使循环泵的流量在不确定的状态下很大或很小(根据物料温度随时调整);总有零流量。为了避免泵堵塞,管路系统中有一个旁通回路(约为额定容量的15%)来维持一定的流量,使得泵电机产生大量的空转循环功耗。这种运行特点,即使采用开环变频调速,也不能节电,满足生产工艺要求;因此,它被允许在自然状态下运行。针对这种情况,用了近半年的时间跟踪、记录、研究并向公司提交了以冷冻水循环主管压力为主要目标的闭环变频调速技改节电方案。10年7月,其中一台以设备检修为契机进行了改造并投入运行。从材料采购到调试运行,用了近20天,取消了管道系统中的维修回流旁通管道(阀门关闭),泵也没有像以前那样满负荷运行。虽然没有实际的节电效果(复产要求加速),但是取消检修回流旁通管道这一项,相信是有效的。
  是什么原因导致水泵采用变频调速后有节电效果?分析如下:

  管道特性

  离心泵安装在已建立的管道系统中时,实际工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关,还与管道特性有关,即在输送液体的过程中,泵和管道是相互制约的。因此,在讨论泵的工作条件之前,我们应该先了解相关的管道条件。

  离心泵的流量调节

  如果工作点的流量大于或小于要求的输送量,则尝试改变工作点的位置,即调节流量。具体方法有几种。

  改变阀门的开度

  改变离心泵出口管道上的阀门开关的实质是改变管道的特性曲线。阀门关闭时,管道局部阻力增大,管道特性曲线变陡,曲线1所示,工作点从M向M1移动,流量从Q向Q1减小。当阀门开大时,管道阻力减小,管道特性曲线变得更平坦。当工作点移动到M2时,流量增加到Q2。

  用阀门调节流量快捷方便,流量可连续变化,适合连续变化生产。因此被广泛使用。缺点是阀门关闭时阻力损失增大,管道能耗增加,不太经济,这是能实现经济节能的主要因素。

  改变泵速。

  改变泵的速度实质上是改变泵的特性曲线。原泵速为N,工作点为M,如果泵速增加到n1,泵特性曲线H-Q上移,工作点从M移到M1,流量从QM增加到QM1。如果泵速降低到n2,工作点移动到M2,流速降低到QM2。这种调整方法可以保持管道特性曲线不变。当流量随着转速的降低而降低时,阻力损失也相应降低,这似乎是合理的。但需要变速装置或价格昂贵的变速原动机,操作复杂,维护工作要求也很高,所以在实际生产设备中很少使用。

  从以上分析可以看出,在VFD问世之前,通过改变泵的叶轮转速来实现泵与管路系统的特性匹配是困难而复杂的。因为阀门节流简单又赚钱,所以几乎习惯通过调节阀门开度来调节流量,应用广泛。所以风机和水泵的节能大多局限在制造过程中提高风机和水泵的效率。目前半导体VFD在今天被广泛使用,在技术上无障碍,安装、使用、维护简单。况且,从经济角度来看,也有足够的理由。

  此外,管路系统应尽可能布置合理,采用管阻小的复合材料也可降低管路损失。但是,如果仍然采用节流流量控制,从上面的分析可以看出,节流操作带来的损失是不可避免的。

  变频调速与节能的实现

  当采用速度控制时,当流量要求从Qm降低到Qm1时,阻力点是恒定的,即管路系统的特性是恒定的,泵的特性取决于转速。如果速度从N100降低到N80,工作点将从M点移动到M2点,扬程将从H0下降到H2,流量QM将下降到QM2。

  根据离心泵的特性曲线公式:

  p=QHr/102η(3.3-20)

  式中:P——水泵在工作状态下的轴功率(kw)

  Q——工作点的水压或流量(m3/s);

  H——工作点的升程(m);

  R——输出介质的单位容重(kg/m3);

  η——工作点的泵效率(%)。

  在B点运行的泵的轴功率和在C点运行的泵的轴功率可以计算如下:

  PB=(3.3-21)

  PC=(3.3-22)

  它们之间的区别是:

  δρ=pB-PC=(3.3-23)

  也就是说,当用阀门控制流量时,△P功率被损耗浪费掉了,这种损耗会随着阀门不断关小而增加。采用调速时,根据流量Q、扬程H、功率P和转速N的关系,以及离心风机和水泵的比例定律,即:

  可以看出,流量Q与转速N的一次方成正比;扬程h与转速n的平方成正比;轴功率p与转速n的三次方成正比,即功率随转速的三次方减小。如果不是关小阀门,而是降低电机转速,在输送同样流量的情况下,完全可以避免阀门内消耗的原始功率,从而达到节能的效果,这就是水泵调速节能的原理。变频调速的基本原理是基于交流电机工作原理中的速度关系:

  N=(3.3-24)

  式中:f——水泵电机的工频(Hz);

  电机的p极对;

  n-电机速度

  从式(3.3-24)可以看出,均匀改变电机定子绕组的工频f,可以平滑地改变电机的同步转速。当电机转速降低时,轴功率相应降低,电机的输入功率也相应降低。这就是水泵变频调速的节能功能。

  总结。

  这个例子再次说明了水泵运行中变频调速可以节电的原因和原理。说明节能的潜力在于优化运行方式,改造设备,使泵的运行特性与工艺设备相匹配。在满足生产工艺的前提下,让设备匹配好,是我们一直追求的目标,但实际上实现起来非常困难。变频调速技术的应用是实现现场人工操作无法实现的跟踪和实时调节的手段。试想,如果生产系统不具备非设计条件,显然是无能的。

  在这种情况下,使用风机和水泵专用的PID比例调节器VFD(深圳产正弦品牌)。VFD有十几个内部设置参数。因此,需要参考相应的VFD用户手册反复修正其值,才能使输出稳定,需要避免使设备工作在超调和振荡状态。

  附言

  通过三种不同类型的例子说明:虽然具有节电功能的设备,如果应用不科学,是达不到节电效果的。第二,说明节能措施不一定要用变频调速技术。只要设备运行比较稳定,有节电潜力,经济实用的方案应该是我们的首选。第三,节能技术改造计划的制定,必须在详细调查研究和认真分析的前提下,根据设备的实际运行情况,才能达到我们的目的。

  变频调速在大多数设备上的应用有一定的节能效果,也取得了一定的效果。通过提高功率因数,改善生产设备系统的性能匹配,智能跟踪现场变工况生产过程,保护设备,达到节能的目的。但是变频并不能处处省电,有很多场合变频并不一定省电。此外VFD的另一个软启动功能也可以帮助我们省电,尤其是应用在大惯性、大功率电驱动时,可以有效降低设备的启动能耗。另一方面,该功能还可以降低机械设备的故障率,延长设备的使用寿命。

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