說到風機和水泵的節(jié)能技術改造，人們會想到采用變頻器的變頻調(diào)速技術。但是，當設備的工況比較穩(wěn)定時，是否有必要采用變頻調(diào)速技術實現(xiàn)節(jié)能技術改造，答案是否定的，下面是一個這樣的例子。

　　設備概述

　　冷凍水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理

　　很多風機、泵都是恒速驅(qū)動電機，但實際生產(chǎn)中對風、水流的要求，在量產(chǎn)離心泵給定的工況下，甚至在變工況下，往往是行不通的。而且系統(tǒng)配置設計中還有很多設備，在選擇設備時為了降低匹配成本，總是選擇市場量產(chǎn)的產(chǎn)品進行配置。為保證設備給定的產(chǎn)出率，大部分產(chǎn)能選擇過大，系統(tǒng)匹配有儲備余量，在實際生產(chǎn)中往往出現(xiàn)“大馬拉大車”，造成大量能源浪費。因此，做好這方面的節(jié)能工作對企業(yè)效益具有錦上添花的意義。

　　項目簡介

　　本系統(tǒng)采用兩臺10kw陶瓷離心泵作為生產(chǎn)工藝設備的冷卻水循環(huán)驅(qū)動泵，分別為兩個管道系統(tǒng)提供閉路水，運行方式為互為備用(帶連接管閥)，將-30℃的冷凍水送至各設備冷卻。由于生產(chǎn)工藝不同，冷卻要求不同，水泵的循環(huán)流量往往在最大值和最小值之間的不同工況下工作。在過去的工作中，常采用閥門節(jié)流或旁通來控制流量(，使循環(huán)泵的流量在不確定的狀態(tài)下很大或很小(根據(jù)物料溫度隨時調(diào)整)；總有零流量。為了避免泵堵塞，管路系統(tǒng)中有一個旁通回路(約為額定容量的15%)來維持一定的流量，使得泵電機產(chǎn)生大量的空轉循環(huán)功耗。這種運行特點，即使采用開環(huán)變頻調(diào)速，也不能節(jié)電，滿足生產(chǎn)工藝要求；因此，它被允許在自然狀態(tài)下運行。針對這種情況，用了近半年的時間跟蹤、記錄、研究并向公司提交了以冷凍水循環(huán)主管壓力為主要目標的閉環(huán)變頻調(diào)速技改節(jié)電方案。10年7月，其中一臺以設備檢修為契機進行了改造并投入運行。從材料采購到調(diào)試運行，用了近20天，取消了管道系統(tǒng)中的維修回流旁通管道(閥門關閉)，泵也沒有像以前那樣滿負荷運行。雖然沒有實際的節(jié)電效果(復產(chǎn)要求加速)，但是取消檢修回流旁通管道這一項，相信是有效的。
　　是什么原因?qū)е滤貌捎米冾l調(diào)速后有節(jié)電效果？分析如下:

　　管道特性

　　離心泵安裝在已建立的管道系統(tǒng)中時，實際工作壓頭和流量不僅與離心泵本身的性能有關，還與管道特性有關，即在輸送液體的過程中，泵和管道是相互制約的。因此，在討論泵的工作條件之前，我們應該先了解相關的管道條件。

　　離心泵的流量調(diào)節(jié)

　　如果工作點的流量大于或小于要求的輸送量，則嘗試改變工作點的位置，即調(diào)節(jié)流量。具體方法有幾種。

　　改變閥門的開度

　　改變離心泵出口管道上的閥門開關的實質(zhì)是改變管道的特性曲線。閥門關閉時，管道局部阻力增大，管道特性曲線變陡，曲線1所示，工作點從M向M1移動，流量從Q向Q1減小。當閥門開大時，管道阻力減小，管道特性曲線變得更平坦。當工作點移動到M2時，流量增加到Q2。

　　用閥門調(diào)節(jié)流量快捷方便，流量可連續(xù)變化，適合連續(xù)變化生產(chǎn)。因此被廣泛使用。缺點是閥門關閉時阻力損失增大，管道能耗增加，不太經(jīng)濟，這是能實現(xiàn)經(jīng)濟節(jié)能的主要因素。

　　改變泵速。

　　改變泵的速度實質(zhì)上是改變泵的特性曲線。原泵速為N，工作點為M，如果泵速增加到n1，泵特性曲線H-Q上移，工作點從M移到M1，流量從QM增加到QM1。如果泵速降低到n2，工作點移動到M2，流速降低到QM2。這種調(diào)整方法可以保持管道特性曲線不變。當流量隨著轉速的降低而降低時，阻力損失也相應降低，這似乎是合理的。但需要變速裝置或價格昂貴的變速原動機，操作復雜，維護工作要求也很高，所以在實際生產(chǎn)設備中很少使用。

　　從以上分析可以看出，在VFD問世之前，通過改變泵的葉輪轉速來實現(xiàn)泵與管路系統(tǒng)的特性匹配是困難而復雜的。因為閥門節(jié)流簡單又賺錢，所以幾乎習慣通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，應用廣泛。所以風機和水泵的節(jié)能大多局限在制造過程中提高風機和水泵的效率。目前半導體VFD在今天被廣泛使用，在技術上無障礙，安裝、使用、維護簡單。況且，從經(jīng)濟角度來看，也有足夠的理由。

　　此外，管路系統(tǒng)應盡可能布置合理，采用管阻小的復合材料也可降低管路損失。但是，如果仍然采用節(jié)流流量控制，從上面的分析可以看出，節(jié)流操作帶來的損失是不可避免的。

　　變頻調(diào)速與節(jié)能的實現(xiàn)

　　當采用速度控制時，當流量要求從Qm降低到Qm1時，阻力點是恒定的，即管路系統(tǒng)的特性是恒定的，泵的特性取決于轉速。如果速度從N100降低到N80，工作點將從M點移動到M2點，揚程將從H0下降到H2，流量QM將下降到QM2。

　　根據(jù)離心泵的特性曲線公式:

　　p=QHr/102η(3.3-20)

　　式中:P——水泵在工作狀態(tài)下的軸功率(kw)

　　Q——工作點的水壓或流量(m3/s)；

　　H——工作點的升程(m)；

　　R——輸出介質(zhì)的單位容重(kg/m3)；

　　η——工作點的泵效率(%)。

　　在B點運行的泵的軸功率和在C點運行的泵的軸功率可以計算如下:

　　PB=(3.3-21)

　　PC=(3.3-22)

　　它們之間的區(qū)別是:

　　δρ=pB-PC=(3.3-23)

　　也就是說，當用閥門控制流量時，△P功率被損耗浪費掉了，這種損耗會隨著閥門不斷關小而增加。采用調(diào)速時，根據(jù)流量Q、揚程H、功率P和轉速N的關系，以及離心風機和水泵的比例定律，即:

　　可以看出，流量Q與轉速N的一次方成正比；揚程h與轉速n的平方成正比；軸功率p與轉速n的三次方成正比，即功率隨轉速的三次方減小。如果不是關小閥門，而是降低電機轉速，在輸送同樣流量的情況下，完全可以避免閥門內(nèi)消耗的原始功率，從而達到節(jié)能的效果，這就是水泵調(diào)速節(jié)能的原理。變頻調(diào)速的基本原理是基于交流電機工作原理中的速度關系:

　　N=(3.3-24)

　　式中:f——水泵電機的工頻(Hz)；

　　電機的p極對；

　　n-電機速度

　　從式(3.3-24)可以看出，均勻改變電機定子繞組的工頻f，可以平滑地改變電機的同步轉速。當電機轉速降低時，軸功率相應降低，電機的輸入功率也相應降低。這就是水泵變頻調(diào)速的節(jié)能功能。

　　總結。

　　這個例子再次說明了水泵運行中變頻調(diào)速可以節(jié)電的原因和原理。說明節(jié)能的潛力在于優(yōu)化運行方式，改造設備，使泵的運行特性與工藝設備相匹配。在滿足生產(chǎn)工藝的前提下，讓設備匹配好，是我們一直追求的目標，但實際上實現(xiàn)起來非常困難。變頻調(diào)速技術的應用是實現(xiàn)現(xiàn)場人工操作無法實現(xiàn)的跟蹤和實時調(diào)節(jié)的手段。試想，如果生產(chǎn)系統(tǒng)不具備非設計條件，顯然是無能的。

　　在這種情況下，使用風機和水泵專用的PID比例調(diào)節(jié)器VFD(深圳產(chǎn)正弦品牌)。VFD有十幾個內(nèi)部設置參數(shù)。因此，需要參考相應的VFD用戶手冊反復修正其值，才能使輸出穩(wěn)定，需要避免使設備工作在超調(diào)和振蕩狀態(tài)。

　　附言

　　通過三種不同類型的例子說明:雖然具有節(jié)電功能的設備，如果應用不科學，是達不到節(jié)電效果的。第二，說明節(jié)能措施不一定要用變頻調(diào)速技術。只要設備運行比較穩(wěn)定，有節(jié)電潛力，經(jīng)濟實用的方案應該是我們的首選。第三，節(jié)能技術改造計劃的制定，必須在詳細調(diào)查研究和認真分析的前提下，根據(jù)設備的實際運行情況，才能達到我們的目的。

　　變頻調(diào)速在大多數(shù)設備上的應用有一定的節(jié)能效果，也取得了一定的效果。通過提高功率因數(shù)，改善生產(chǎn)設備系統(tǒng)的性能匹配，智能跟蹤現(xiàn)場變工況生產(chǎn)過程，保護設備，達到節(jié)能的目的。但是變頻并不能處處省電，有很多場合變頻并不一定省電。此外VFD的另一個軟啟動功能也可以幫助我們省電，尤其是應用在大慣性、大功率電驅(qū)動時，可以有效降低設備的啟動能耗。另一方面，該功能還可以降低機械設備的故障率，延長設備的使用壽命。