羅茨風機的變頻節(jié)能改造

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨風機、羅茨鼓風機、回轉(zhuǎn)式鼓風機等水產(chǎn)養(yǎng)殖曝氣設備公司，位于有“鐵匠之鄉(xiāng)”之稱的山東省章丘市相公鎮(zhèn)，近年來，錦工致力于新產(chǎn)品的研發(fā)，新產(chǎn)品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅(qū)羅茨鼓風機、低噪音羅茨鼓風機，贏得了市場好評和認可。產(chǎn)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(chǎn)車間機臺除塵和煙絲風送，由除塵系統(tǒng)和集塵系統(tǒng)組成，系統(tǒng)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(jù)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(shù)隨各種因素而發(fā)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(jù)本系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)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(jié)能改造有著顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效應。
三、節(jié)能改造方法的確定
羅茨風機屬容積回轉(zhuǎn)式風機，其工作特點是當轉(zhuǎn)速一定而壓力在允許范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié)時，流量的變動甚微，轉(zhuǎn)速和流量之間保持正比的關系。采用旁路調(diào)節(jié)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(jié)能。而改變轉(zhuǎn)速，使風機吸氣量發(fā)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(diào)節(jié)就可達到節(jié)能的目的，而調(diào)速方法也較多。若改為變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)風機風量，即能減少風機電耗的浪費。
一）羅茨鼓風機變轉(zhuǎn)速工作特性
1、流量特性
羅茨鼓風機的理論流量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速n變化時，其軸功率與轉(zhuǎn)速成正比。
3、 轉(zhuǎn)矩特性
羅茨鼓風機的轉(zhuǎn)矩為
由于羅茨鼓風機的軸功率與轉(zhuǎn)速成正比，因此由式（1）可知，當轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)矩不變，即羅茨鼓風機屬于恒轉(zhuǎn)矩運行。
二）變頻調(diào)速的工作原理
變頻器調(diào)速的原理是將交流順變成直流，平滑濾波后再經(jīng)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(diào)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(qū)動采用交流三相異步電動機，其轉(zhuǎn)速與電源頻率的關系為[3]
由式（1）可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，只要改變頻率即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。因此，決定采用變頻調(diào)速技術對羅茨鼓風機進行技術改造，不但可達到節(jié)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(jù)電機容量，選用丹佛斯FC300變頻器。
丹佛斯FC300系列變頻器的優(yōu)點：
（1） 調(diào)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(tài)響應特性，并且優(yōu)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(diào)節(jié)器具有較高的品質(zhì)（參數(shù)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(xiàn)電動機的過壓、欠壓、過熱等功能。
2、變頻器控制與調(diào)節(jié)
變頻器可通過在控制柜門“遠程/本地”開關的切換實現(xiàn)“遠程控制”與“本地控制”?！斑h程控制”是在主控室內(nèi)上位機與變頻器進行數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速以及啟動、停止、故障等狀態(tài)進行實時監(jiān)控。同時操作人員根據(jù)工藝或外界條件的變化，通過改變變頻器的頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
另外，在風機房內(nèi)還裝有一個本地控制的機旁操作箱，在風機出現(xiàn)故障時可在電機旁進行操作。為了保證生產(chǎn)的連續(xù)運行，在變頻器出現(xiàn)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(xiàn)
原除塵系統(tǒng)的配置為：1套PLC主站（S7-300，315-2DP），1個MP 270觸摸屏，現(xiàn)將兩臺羅茨風機的Danfoss FC300變頻器通過現(xiàn)有的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡進行PLC和變頻器的通訊，變頻器通過PROFIBUS-DP來實現(xiàn)電機的啟/停和調(diào)速控制，并把變頻器的實際運行狀態(tài)通過PROFIBUS網(wǎng)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(tǒng)調(diào)試及運行效果
一）系統(tǒng)改造后的調(diào)試
完成羅茨風機變頻器改進安裝后，并投入系統(tǒng)運行前的調(diào)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(chǎn)需要。經(jīng)調(diào)試，變頻器性能運行非常穩(wěn)定，達到設計要求。
二）運行效果
變頻器經(jīng)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(tài)比較穩(wěn)定，滿足設計要求，系統(tǒng)穩(wěn)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(zhuǎn)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(jié)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(jù)測定數(shù)據(jù)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(jié)電P節(jié)約=2× P1- P2- P3=13.43kW
車間每天兩班生產(chǎn)，工作時間16小時，一個月生產(chǎn)天數(shù)20天，一個月可節(jié)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(wǎng)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(zhuǎn)速的降低，羅茨風機的葉輪、軸承等壽命得以延長。
六、結(jié)束語
變頻器控制技術用于羅茨風機控制達到顯著的節(jié)電效果，提高了設備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，經(jīng)濟效益十分明顯。

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