羅茨風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)等水產(chǎn)養(yǎng)殖曝氣設(shè)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(fēng)機(jī)、水冷羅茨鼓風(fēng)機(jī)、油驅(qū)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、低噪音羅茨鼓風(fēng)機(jī)，贏得了市場好評和認(rèn)可。產(chǎn)品和服務(wù)遠(yuǎn)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(fù)責(zé)生產(chǎn)車間機(jī)臺除塵和煙絲風(fēng)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(fù)壓輸送至壓塵機(jī)處理。其中集塵器的負(fù)壓由兩臺22KW的羅茨風(fēng)機(jī)提供，一臺用于制絲線集塵，一臺用于卷包線集塵。原風(fēng)機(jī)額定功率的設(shè)計(jì)選型是根據(jù)工藝的最大流量來選擇的，按當(dāng)時的設(shè)計(jì)思路，風(fēng)機(jī)的選型一般在滿足工藝負(fù)荷工作條件下還要增加一定的裕量。但實(shí)際運(yùn)行中，工藝的運(yùn)行參數(shù)隨各種因素而發(fā)生變化，往往實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷要比設(shè)計(jì)的最大流量小得多，造成能源浪費(fèi)的情況。
二、問題的提出
根據(jù)本系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，羅茨風(fēng)機(jī)實(shí)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(fèi)掉。因此，對羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造有著顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效應(yīng)。
三、節(jié)能改造方法的確定
羅茨風(fēng)機(jī)屬容積回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)，其工作特點(diǎn)是當(dāng)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(guān)系。采用旁路調(diào)節(jié)法不能改變羅茨鼓風(fēng)機(jī)的吸氣量，所以風(fēng)機(jī)始終在滿負(fù)荷下運(yùn)行，無法節(jié)能。而改變轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)就可達(dá)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(fēng)機(jī)風(fēng)量，即能減少風(fēng)機(jī)電耗的浪費(fèi)。
一）羅茨鼓風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速工作特性
1、流量特性
羅茨鼓風(fēng)機(jī)的理論流量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為
羅茨鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際流量為
由式（1）和式（2）可知，對每一臺具體的羅茨鼓風(fēng)機(jī)，其葉輪外徑、長度和面積利用系數(shù)都是一個定值，當(dāng)可忽略容積效率的變化時，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的流量正比于轉(zhuǎn)速。
2、功率特性
羅茨鼓風(fēng)機(jī)的軸功率為
由式（1）和式（3）可知，當(dāng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為
由于羅茨鼓風(fēng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速成正比，因此由式（1）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)矩不變，即羅茨鼓風(fēng)機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)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(jī)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(jī)的輸出軸功率。
羅茨風(fēng)機(jī)的驅(qū)動采用交流三相異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)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(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)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(shù)對羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，不但可達(dá)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(fēng)機(jī)的變頻改造
一）、硬件設(shè)計(jì)
1、變頻器的選用
根據(jù)電機(jī)容量，選用丹佛斯FC300變頻器。
丹佛斯FC300系列變頻器的優(yōu)點(diǎn)：
（1） 調(diào)速范圍廣，機(jī)械特性硬，精度高，運(yùn)行可靠；
（2） 磁通―電流控制（FCC）功能改善動態(tài)響應(yīng)特性，并且優(yōu)化電動機(jī)的控制；
（3） 控制不同的負(fù)載，具有相應(yīng)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(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘；
（6）可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)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(yuǎn)程/本地”開關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程控制”與“本地控制”。“遠(yuǎn)程控制”是在主控室內(nèi)上位機(jī)與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，操作人員可通過觸摸屏的畫面對風(fēng)機(jī)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(jìn)行實(shí)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(fēng)機(jī)房內(nèi)還裝有一個本地控制的機(jī)旁操作箱，在風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時可在電機(jī)旁進(jìn)行操作。為了保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)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(fēng)機(jī)電動機(jī)可切換為工頻運(yùn)行或啟、停控制。
二）、PLC與變頻器通訊的實(shí)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(fēng)機(jī)的Danfoss FC300變頻器通過現(xiàn)有的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行PLC和變頻器的通訊，變頻器通過PROFIBUS-DP來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟/停和調(diào)速控制，并把變頻器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)輸送并顯示在觸摸屏MP 270，從而達(dá)到對羅茨風(fēng)機(jī)的運(yùn)行控制目的。
五、系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行效果
一）系統(tǒng)改造后的調(diào)試
完成羅茨風(fēng)機(jī)變頻器改進(jìn)安裝后，并投入系統(tǒng)運(yùn)行前的調(diào)試，目的主要是檢查所選擇的變頻器性能、改進(jìn)方案的功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求以及滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。經(jīng)調(diào)試，變頻器性能運(yùn)行非常穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
二）運(yùn)行效果
變頻器經(jīng)過一個月試運(yùn)行及投入正常使用后，從實(shí)際運(yùn)行來看，變頻運(yùn)行狀態(tài)比較穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。設(shè)備方面由于變頻具有軟啟動功能避免了電機(jī)啟動時對電機(jī)的沖擊損害，轉(zhuǎn)速的降低，對風(fēng)機(jī)的葉輪、軸承等壽命得以延長，設(shè)備運(yùn)行狀況良好。
1、節(jié)能效益
制絲集塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行實(shí)際工頻大約為42HZ，工作電流為32A；卷包集塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行實(shí)際工頻大約為40HZ，工作電流為34A。
根據(jù)測定數(shù)據(jù)可計(jì)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(shè)備影響
（1） 避免了電動機(jī)啟動時對電機(jī)的沖擊損害及對電網(wǎng)的沖擊；
（2） 提高了羅茨風(fēng)機(jī)的自動控制能力；
（3） 減少了羅茨風(fēng)機(jī)及其消聲器等的機(jī)械振動、噪聲和沖擊；
（4） 由于轉(zhuǎn)速的降低，羅茨風(fēng)機(jī)的葉輪、軸承等壽命得以延長。
六、結(jié)束語
變頻器控制技術(shù)用于羅茨風(fēng)機(jī)控制達(dá)到顯著的節(jié)電效果，提高了設(shè)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(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

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