電機系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀
電動機廣泛應(yīng)用于拖動風(fēng)機、泵、鼓風(fēng)機、空氣壓縮機、制冷機和各種機床等機械傳動裝置及其他各類電氣設(shè)備，是量大面廣的終端耗能大戶。電機系統(tǒng)包括電動機、被拖動裝置、傳動控制系統(tǒng)及管網(wǎng)負荷。據(jù)統(tǒng)計，2010年我國各類電動機總裝機容量約為10億kW，年耗電量達2.38萬億kWh以上，約占全國用電量的57%。其中，風(fēng)機、泵類、壓縮機和空調(diào)制冷機的用電量分別占全國用電量的10. 4%、20. 9%、9.4%和6%。
改革開放以來，我國制造業(yè)有了長足發(fā)展，近些年企業(yè)通過自主研發(fā)和消化吸收，電動機、風(fēng)機、泵、壓縮機等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品性能、質(zhì)量有了顯著提高，對推動電機系統(tǒng)的節(jié)能工作起了很大的促進作用。
提高電機系統(tǒng)的能效，就是要在滿足工藝要求的前提下，消耗最少的能源，其能效提高的潛力在于電力變壓器、電機、拖動設(shè)備的自身效率及匹配達到最優(yōu)。
電機系統(tǒng)節(jié)能潛力
中小型電機用電量約占總發(fā)電量的50%以上，其產(chǎn)量的增長速度最能反映國民經(jīng)濟的增長速度，是國民經(jīng)濟中的重要產(chǎn)業(yè)。我國20世紀(jì)末前的一、二十年，年產(chǎn)量基本在3千萬kW左右。進入二十一世紀(jì)，國民經(jīng)濟高速發(fā)展，中小型電機也處于快速發(fā)展階段。據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，2008年我國交流電動機的產(chǎn)量達到創(chuàng)紀(jì)錄的2億kW，從2003年起首次突破1億kW，2003年至2008年底，我國交流電動機的總產(chǎn)量已突破9億kW，相當(dāng)于建國后50多年總和的近兩倍，而同期我國新增發(fā)電機裝機規(guī)模約4.5億kW(總裝機規(guī)模達8億kW)，為建國后50多年總和的1.3倍。從國際市場需求來看，2008年中小型電機的年出口量達3千多萬kW。我國已經(jīng)成為世界上最大的中小型電機生產(chǎn)、使用和出口大國。根據(jù)國際通用估算方法，電動機裝機容量為發(fā)電機裝機容量的2.5~3.5倍，據(jù)此推算，今后較長一段時期，電動機產(chǎn)量還將會持續(xù)快速擴大。中小型電機產(chǎn)業(yè)市場巨大，充分表明了中小型電機及系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中有著不可替代的重要地位和作用。
電機系統(tǒng)節(jié)能是當(dāng)今國際高度關(guān)注和重點研究的領(lǐng)域，也是我國“十一五”乃至“十二五”期間實施節(jié)能減排既定國策的重點關(guān)注領(lǐng)域。隨著全球能源消耗的逐年快速增長，節(jié)能降耗、減排，減少溫室氣體排放已成為全球共同關(guān)注的重大問題，中小型電機系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大，已經(jīng)成為世界各國政府和國際組織的共識。2008年我國全年總用電量為3.427萬億千瓦時，其中中小型電機系統(tǒng)用電1.95萬億千瓦時(折合標(biāo)煤7.9億噸)以上，約占全國總用電量的57%。
由于發(fā)達國家政府和國際組織的大力推動，國際領(lǐng)先企業(yè)已投入了大量人力、物力、財力，在節(jié)能型中小型電機及系統(tǒng)的研究開發(fā)及產(chǎn)品的推廣應(yīng)用方面取得了突破性進展。但與眾多國家比較，我國的電機系統(tǒng)尚存在很大的節(jié)能潛力和技術(shù)升級空間，長期以來我國在電機產(chǎn)品高效化、匹配的精細化、專用化方面、在專用高效電機產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)和研發(fā)手段、設(shè)施方面以及在電機控制等方面與發(fā)達國家有較大差距。主要表現(xiàn)在：
(1)電動機及被拖動設(shè)備效率低。電機產(chǎn)品效率比國外先進水平低2%～5%，雖然國產(chǎn)高效電機與國外先進水平相當(dāng)，但價格高、市場占有率低;風(fēng)機、泵、壓縮機產(chǎn)品效率比國外先進水平低2%～4%，雖然設(shè)計水平與國外先進水平相當(dāng)，但制造技術(shù)和工藝有差距。
(2)系統(tǒng)運行效率低。主要體現(xiàn)在系統(tǒng)匹配不合理，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重，設(shè)備長期低負荷運行;系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式落后，大部分風(fēng)機、泵類采用機械節(jié)流方式調(diào)節(jié)，效率比調(diào)速方式約低30%。電機系統(tǒng)就運行效率而言要比國外先進水平低10%～20%，相當(dāng)于每年浪費電能約1500億kWh。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：發(fā)達國家的電機的運行效率比我國高3~5%，系統(tǒng)運行效率要高25~30%，我國的電機及系統(tǒng)領(lǐng)域具有很大的節(jié)能空間。以2008年全年電機系統(tǒng)耗電計算，若改造現(xiàn)有電機系統(tǒng)的一半，使之平均提高運行效率25%，則可節(jié)約用電2575億千瓦時/年以上，折合標(biāo)煤1.04億噸以上，相當(dāng)于三峽08年發(fā)電總量的兩倍。既可節(jié)約電能，又可節(jié)約建電站的投資和相應(yīng)配套設(shè)施的投資，還大大減少了CO2等有害氣體的排放，是實現(xiàn)十一五期間單位GDP能耗降低20%的重要手段，也是低碳經(jīng)濟的重要組成部分。巨大的節(jié)能市場需求為我國中小型電機及系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展提供了難得的機遇。
電機系統(tǒng)節(jié)能解決方案——變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)
據(jù)統(tǒng)計，全世界的用電量中約有60%是通過電動機來消耗的。由于考慮起動、過載、系統(tǒng)安全等原因，高效的電動機經(jīng)常在低效狀態(tài)下運行。在這些電機中，有相當(dāng)一部分通過采用變頻器對其進行調(diào)速控制，有可能使電動機重新回到高效的運行狀態(tài)，這樣可節(jié)省大量的電能。
變頻調(diào)速原理
根據(jù)三相異步電動機的原理，三相異步電動機的軸轉(zhuǎn)速與供電電源的頻率之間有如下關(guān)系：
(1)
n——電機轉(zhuǎn)速
f——電源頻率
s——轉(zhuǎn)差率
p——電機極對數(shù)
考慮到轉(zhuǎn)差率s一般<<1，所以當(dāng)電機的極對數(shù)一定時，電機的轉(zhuǎn)速和電機供電電源的頻率成正比關(guān)系，因此可以通過調(diào)整供電電源的頻率來控制三相異步電動機的軸轉(zhuǎn)速。
負載類型
在實際的生產(chǎn)機械中，電動機的負載種類千差萬別，但我們可以將這些負載種類歸結(jié)到平方轉(zhuǎn)矩﹑恒轉(zhuǎn)矩、恒功率和粘滯性負載等幾類特性。而平方轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)矩負載特性占了全部負載中的絕大多數(shù)，我們只討論這兩種負載。
平方轉(zhuǎn)矩負載
平方轉(zhuǎn)矩負載的特性為：電機的軸功率與電機轉(zhuǎn)速的3次方成正比關(guān)系，即
(2)
式中ne、Ne—水泵的額定轉(zhuǎn)速和額定軸功率
n、N—水泵運行時的轉(zhuǎn)速和功率
恒轉(zhuǎn)矩負載
恒轉(zhuǎn)矩負載的特性為負載的轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，電機的軸功率與電機的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，即
(3)
式中n--三相異步電機的轉(zhuǎn)速
N--三相異步電機運行在n轉(zhuǎn)速的軸功率
k--傳動系數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時，k為常數(shù)
變頻調(diào)速節(jié)能原理
變頻調(diào)速節(jié)能原理從以上二種負載類型來說明：
平方轉(zhuǎn)矩負載節(jié)電原理
典型的平方轉(zhuǎn)矩類型負載是風(fēng)機和水泵。從流體力學(xué)的原理來說，風(fēng)機輸出的風(fēng)量或水泵輸出的水流量∝風(fēng)機或水泵的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機輸出的風(fēng)壓或水泵輸出的揚程∝風(fēng)機或水泵轉(zhuǎn)速的2次方，風(fēng)機或水泵的軸功率∝風(fēng)機或水泵轉(zhuǎn)速的3次方。因此若轉(zhuǎn)速下降20%，則功率可下降48.8% ;若轉(zhuǎn)速下降50%，則軸功率可下降87.5% ，即使考慮調(diào)速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也是相當(dāng)可觀的。
恒轉(zhuǎn)矩負載節(jié)能原理
對于恒轉(zhuǎn)矩負載有
(4)
式中NL--負載軸功率
TL--負載轉(zhuǎn)矩
n--負載轉(zhuǎn)速
由于負載轉(zhuǎn)矩一定，所以軸功率和負載轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。當(dāng)負載轉(zhuǎn)速的變化不影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量時，應(yīng)盡可能的降低電機轉(zhuǎn)速，達到節(jié)能的目的。
變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)適用范圍
許多行業(yè)、如鋼鐵、有色、石油、石化、化工、紡織、機械、電力、建材、醫(yī)藥、煤炭、造紙、卷煙、酒店、自來水等行業(yè)都在許多設(shè)備中采用交流電機變頻調(diào)速技術(shù)，產(chǎn)生節(jié)電、提高產(chǎn)品質(zhì)量及增產(chǎn)的效果。
節(jié)能潛力
變頻器要節(jié)電是有一定條件的。在不影響使用的條件下，適當(dāng)改變工況參數(shù)后，把不合理運行參數(shù)所消耗電能節(jié)省下來，就可做到從一般運行轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟運行。
要節(jié)能一定要降低頻率，頻率下降值越大，節(jié)電越多。不降低頻率，變頻器原則上是不能節(jié)電的。
與電動機負載率有關(guān)。負載率在10%～90%時，節(jié)電率最多約8%～10%，負載率低相應(yīng)節(jié)電率高些。但無功節(jié)電率大約40%～50%，是不計電費的。
與原來的運行的工況參數(shù)值的合理程度有關(guān)。例如，與壓力、流量、轉(zhuǎn)速等可調(diào)節(jié)的量值大小有關(guān)，可調(diào)整量大，則節(jié)電率就高，否則相反。
與原來采用的調(diào)整方式有關(guān)。采用進口或出口閥門方式來調(diào)整運行參數(shù)的，很不經(jīng)濟，若改為變頻器調(diào)速，則經(jīng)濟合理。使用變頻器調(diào)速后，比用人工閥門調(diào)整運行方法，能多節(jié)電達20%～30%。
與原來采用的調(diào)速方式有關(guān)。例如，原來用滑差電動機調(diào)速，因調(diào)速效率低，尤其在中、低速時，效率只有50%以下，很不經(jīng)濟，改為變頻器調(diào)速后，把這部分電能節(jié)省下來了。目前輕工、紡織、造紙、印染、塑料、橡膠等行業(yè)中，大多還在使用滑差電動機，故使用變頻器來實現(xiàn)節(jié)能，技術(shù)改造工作是當(dāng)務(wù)之急的事。
與電動機工作方式有關(guān)。例如，連續(xù)運轉(zhuǎn)、短時運轉(zhuǎn)、間歇運轉(zhuǎn)的節(jié)電量是不同的。
與電動機開動時間長短有關(guān)。例如，一天開機24h，一年開365天的節(jié)電量就大，反之則小。
與電動機本身功率大小有關(guān)。同樣節(jié)電率下，功率大的節(jié)電量值大，經(jīng)濟效益就大，哪怕節(jié)電率相對小功率電動機低些，但實際收益較大。
與本單位生產(chǎn)工藝設(shè)備重要性有關(guān)。首先要選產(chǎn)品電耗大的、產(chǎn)品成本高的、現(xiàn)用的調(diào)速方式是不夠經(jīng)濟合理的設(shè)各加以改造，改用變頻器后就能有立竿見影、事半功倍的效果。
在選用變頻器調(diào)速或節(jié)能時，應(yīng)該遵守以上10條原則，作為決定方案的前提。當(dāng)?shù)仉娰M價格高的，在同樣節(jié)電量時，經(jīng)濟收益就更大，這也是必然要考慮的事。
節(jié)能案例一
變頻調(diào)速技術(shù)在工藝風(fēng)機節(jié)能中的應(yīng)用
某玻璃生產(chǎn)廠生產(chǎn)鋼化玻璃時，須將普通玻璃經(jīng)過鋼化爐處理后形成鋼化玻璃。鋼化爐有加熱爐、冷卻段和風(fēng)機系統(tǒng)組成。鋼化玻璃工序工藝流程見圖1：
經(jīng)過磨邊處理的玻璃片從上片臺進入到加熱爐內(nèi)，被加熱到600-700℃左右，達到軟化
狀態(tài)，然后進入鋼化冷卻段。鋼化冷卻段由滾道和風(fēng)柵組成，滾道將軟化狀態(tài)的玻璃送入到風(fēng)柵區(qū)，依靠冷卻風(fēng)機吹風(fēng)急劇冷卻，在玻璃表面和內(nèi)部形成溫度梯度，玻璃表面會形成巨大的壓應(yīng)力，達到玻璃鋼化的目的。之后已鋼化的玻璃繼續(xù)在風(fēng)柵內(nèi)被冷卻到50℃左右后，送出到下片臺，然后從下片臺將鋼化成形后的玻璃取片。
圖1 鋼化玻璃工序工藝流程
實際上玻璃鋼化的時間非常短，大概只有10s左右，其余時間主要是用來冷卻和待機。在鋼化成形時，由于要在玻璃表面形成巨大的溫度梯度，因此必須要用大量的空氣來冷卻，但在冷卻段和待機段，則不需要那么多的風(fēng)量。另外，玻璃的厚度不同，其所需風(fēng)量也不同，玻璃越薄，冷卻風(fēng)量需要越大， 生產(chǎn)到厚玻璃時，所需要的鋼化冷卻風(fēng)量也隨之減少，為了滿足最惡劣的工況，所以風(fēng)機的功率配的很高，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機進風(fēng)口上的風(fēng)門來滿足不同的工藝需求。
傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法是阻擋風(fēng)機入口的面積，使風(fēng)機的進風(fēng)量減小，以達到減小風(fēng)量的目的。這時候風(fēng)機的軸功率與風(fēng)量的關(guān)系可以由圖1中曲線1表示，而用調(diào)速方式來減小流量時，風(fēng)機的軸功率和風(fēng)量的關(guān)系可以由圖1中的曲線2表示，中間部分就是這兩者之間的節(jié)能量。從圖1可以看出，在風(fēng)量需求較小時，其節(jié)能量是很大的。當(dāng)風(fēng)量需求減少20%時，節(jié)能率約為36.16%，當(dāng)風(fēng)量需求減少30%時，節(jié)能率約為52.33%，當(dāng)風(fēng)量需求減少50%時，節(jié)能率約為78.72%。
圖3、圖4為鋼化爐生產(chǎn)線和鋼化爐風(fēng)機系統(tǒng)
該系統(tǒng)風(fēng)機是由一臺250kW、4極、380V的三相異步電機驅(qū)動，原先工作風(fēng)量是由操作工根據(jù)加工玻璃的厚度，設(shè)定輸入風(fēng)門的開度，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的目的。根據(jù)上述工況，采用變頻技術(shù)進行節(jié)能改造，變頻器選用上海格立特VC2000型產(chǎn)品。改造后，操作工根據(jù)加工玻璃的厚度，設(shè)定變頻器的輸出頻率，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的目的。表1是改造前后2種規(guī)格的玻璃鋼化時節(jié)能率的對比，表2是改造前后年用電量對比。節(jié)能案例二
節(jié)能案例二
變頻調(diào)速系統(tǒng)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用
某大廈是一座集餐飲和寫字樓為一體的綜合性商務(wù)大樓。該大樓有26層主樓和5層裙樓組成。占地面積6630 m2，建筑物占地面積2010.2m3，建筑面積42397.4m2，其中地上32693.0 m2，地下9704.4 m2。
該大廈主樓地面26層，地下二層。制冷主機采用廣州日立冷機有限公司風(fēng)冷熱泵式冷水機組，主機和循環(huán)水泵均安裝于裙樓樓頂上，各樓層配置組合式空調(diào)箱，各房間均配置風(fēng)機盤管。
中央空調(diào)主機有4組8臺，均為風(fēng)冷型制冷機，每組制冷主機的冷媒水進水總管上有一電磁閥，可通過BA系統(tǒng)控制閥門的開和關(guān)。
冷媒水泵6臺，其中
1#-2#水泵型號為DFW150-160(1)/2，流量160m3/h，揚程32m，功率22 kW， 2900 r/min，效率75%。配套電機型號為Y2-180M-2，額定功率22kW，額定電壓380V，電流40.5， 轉(zhuǎn)速2940r/min，功率因素0.911
3#-6#水泵型號為DFW150-315/4，流量200m3/h，揚程32m，功率30 kW， 1450 r/min，效率79%。配套電機型號為Y2-200L-4，額定功率30kW，額定電壓380V，電流57.6， 轉(zhuǎn)速1470r/min，功率因素0.865。
主機系統(tǒng)原理圖見圖1。
大廈主樓1層大堂空調(diào)采用集中送風(fēng)方式，配有1臺組合式空調(diào)箱，風(fēng)機為3kW風(fēng)機2臺。2層及以上共有206間辦公用房(未隔斷的毛坯房)，每間辦公用房安裝有2至3臺空調(diào)盤管，共有609臺空調(diào)盤管。每臺空調(diào)盤管都配一個電磁閥門，做開、關(guān)控制。每層配有一臺組合式空調(diào)箱做送新風(fēng)之用，風(fēng)機均為0.8kW。
大廈主樓系統(tǒng)原理圖見圖3。
裙樓1層為大堂，2層為餐廳，3至5層為辦公用房，空調(diào)均為集中送風(fēng)方式，每層有一臺組合式空調(diào)箱，1層配用風(fēng)機為1.8kW風(fēng)機3臺，2至5層配用風(fēng)機均為3kW風(fēng)機3臺，2層還配有回風(fēng)風(fēng)機1臺，功率為2.2kW。
大廈裙樓系統(tǒng)原理圖見圖2。
大廈有一套BA系統(tǒng)，用于控制空調(diào)箱風(fēng)機的運行停止和空調(diào)箱進水閥的開關(guān)。采用DDC控制方式，終端采用TREND IQ204控制器，每個終端控制2樓層的空調(diào)箱，每層有1路模擬量輸入，4路數(shù)字量輸入，3路模擬量輸出。
運行狀況
在正常情況下，主機由人工控制，一般運行二組RHU380AHZ1型機組，全部4組主機進、出水閥門全開，一般不調(diào)整。運行狀況為冷媒水出水溫度11-14℃,進水溫度15.5-17℃，溫差一般在3-4℃左右。
水泵由人工控制，一般運行二臺DFW150-315/4型水泵，進水口壓力一般為738.67kPa-740.73kPa，出水口壓力為806.03-810.77kPa。集水器壓力695.6-697.13kPa，分水器壓力778-780kPa。用超聲波流量計測得冷媒水出水總管流量為616-626m3/h。水泵運行功率為27.59kW和27.73kW。偶爾情況會開3臺水泵，每年開3臺的天數(shù)一般小于為7天。
各樓層空調(diào)箱運行由人工通過BA系統(tǒng)控制，運行情況為主機開時，空調(diào)箱進水閥門也開，風(fēng)機工頻運行。各房間盤管進水閥門有房間內(nèi)的空調(diào)開關(guān)控制，盤管風(fēng)機控制有2到3檔，也是有房間內(nèi)的空調(diào)風(fēng)量控制開關(guān)控制。
節(jié)能改造
水泵節(jié)能改造
根據(jù)系統(tǒng)運行狀況，我們將備用的主機進出水閥門關(guān)閉，則降低了系統(tǒng)1/3冷媒水需求流量。此外，又由于主機的進出水溫差在3-4℃。因此，通過采用格立特VF10型變頻器對水泵進行溫差控制，降低冷水流量來提高溫差到5℃，這樣既能提高主機效率，又能降低水泵能耗。根據(jù)測試，當(dāng)提高進出水溫差到5℃時，冷水流量可降低20%左右。水泵功率可降低30%-40%。平均節(jié)能35%計算，可節(jié)能19.36kWh/小時，以每天運行13小時計，節(jié)能251.7.7kWh/天。以每年運行3432小時計，則年節(jié)能66450.4kWh。電價以平均0.94元/kWh計算，則年節(jié)約電費59805.35元/年。
風(fēng)機節(jié)能改造
送新風(fēng)風(fēng)機
空調(diào)箱送新風(fēng)風(fēng)機只作運行和停止控制，運行時為工頻運行，一般風(fēng)量不作調(diào)整。這樣，不管是否需要，風(fēng)機都是全速運行，能耗較大。通過對主樓2層空調(diào)箱風(fēng)機測試，0.8kW的風(fēng)機實測電流為2.09A，運行功率約為1.06kW，負載率基本為100%。采用格立特VF10型變頻裝置后，風(fēng)機根據(jù)需求作變速運行。根據(jù)風(fēng)機理論，風(fēng)機風(fēng)量與風(fēng)機功率成立方關(guān)系，因而，可以大大節(jié)約能源。根據(jù)經(jīng)驗，我們將送新風(fēng)風(fēng)機的運行頻率設(shè)定在45Hz左右，這樣對樓內(nèi)人員舒適度沒有什么影響，而風(fēng)機功率可下降27.1%左右。同時對風(fēng)機做間歇送風(fēng)控制，占空比為50%，則又能節(jié)能50%左右，總計節(jié)能量在60%左右。對0.8kW的風(fēng)機，節(jié)能可達0.583kWh/小時，以每天運行13小時計，節(jié)能7.58kWh/天。以每年運行3432小時計，則年每臺節(jié)能約為2000.86kWh。節(jié)約電費1880.81元/臺。
送冷風(fēng)風(fēng)機
送冷風(fēng)風(fēng)機主要是主樓1樓和裙樓1樓至5樓的空調(diào)箱風(fēng)機。我們對主樓1樓，裙樓1、2、3樓做了風(fēng)機功率測試。測試情況見表3：
節(jié)能案例三
變頻調(diào)速技術(shù)在空氣壓縮系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用
某化纖有限公司現(xiàn)有英格索蘭空壓機4臺，排氣壓力0.85MPa，其中3臺MM160-8.5，容積流量為26m3/min，壓縮電機額定功率160kW;1臺MM75-8.5，容積流量為12.1m3/min，壓縮電機額定功率75kW。
(1)系統(tǒng)狀況
該公司4臺空壓機大多數(shù)時間采用一大一小方式運行，總供氣量為38.1m3/min，其中75kW空壓機設(shè)定加卸載壓力為0.66MPa和0.76MPa，160kW空壓機設(shè)定加卸載壓力為0.68MPa和0.78MPa。實際工作中75kW 的MM75空壓機約只有60%的加載率，160kW 的MM160空壓機基本一直處于加載狀態(tài)。
經(jīng)過測試，75kW空壓機卸載時最小輸入功率30kW左右，加載時最高輸入功率85kW，160kW的空壓機一直處于加載狀態(tài)，運行比較平穩(wěn)，輸入功率一直保持為165kW左右。
工廠工藝要求空壓機運行壓力不低于0.6MPa，需求量大時兩臺160kW工作。
2)節(jié)能原理
該公司的空壓機耗電量占全廠總耗電量16%左右，空壓機系統(tǒng)年總用電量為180萬kWh左右，因此對空壓機系統(tǒng)進行節(jié)能改造意義十分重大。
由于生產(chǎn)工藝所需的壓縮空氣不斷變化和生產(chǎn)安排的調(diào)整，導(dǎo)致車間對壓縮空氣的需求量也在不斷變化，為了適應(yīng)這種變化，空壓機系統(tǒng)一般采用加卸載的方式運行。壓縮空氣的需求量減少使空壓機排氣壓力達到卸載壓力時，空壓機開始卸載。空壓機卸載時進氣口關(guān)閉，電機空轉(zhuǎn)不產(chǎn)生壓縮空氣，但是其耗電功率基本占到額定功率的30%左右，甚至更多，從而導(dǎo)致空壓機系統(tǒng)在部分負荷時效率較低。
依據(jù)螺桿式空壓機的排氣量和轉(zhuǎn)速、耗電功率基本上成正比例的關(guān)系，通過采用變頻器對系統(tǒng)進行恒壓控制，可根據(jù)系統(tǒng)的實際用氣需求調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速，使空壓機排氣量和實際需求量達到基本平衡，系統(tǒng)壓力波動控制在較小的范圍內(nèi)，從而節(jié)約了空壓機采用傳統(tǒng)加卸載運行方式時不必要的能耗：降低傳統(tǒng)控制方式中加載時較高壓力導(dǎo)致的高電耗，避免卸載時空壓機電機空轉(zhuǎn)做無用功。
3)節(jié)能改造
根據(jù)該公司壓縮空氣系統(tǒng)的使用情況，我們配置了格立特VC-K型智能節(jié)電裝置，用于空壓機系統(tǒng)的控制。該智能節(jié)電裝置自動采集現(xiàn)場儲氣罐的壓力，根據(jù)壓縮空氣的實際需求量，按循環(huán)啟動的方式閉環(huán)控制4臺空壓機的運行，在滿足系統(tǒng)正常安全和穩(wěn)定運行的前提下，大幅降低系統(tǒng)運行能耗。系統(tǒng)示意圖見圖5。
當(dāng)系統(tǒng)中一臺75kW(產(chǎn)氣量12.1m3/min)空壓機以60%加載率運行，一臺160kW(產(chǎn)氣量26m3/min)空壓機無卸載運行時，系統(tǒng)實際每小時耗能約為236.5kWh，當(dāng)75kW空壓機改用變頻恒壓運行時，系統(tǒng)每小時耗能為226kWh，每小時節(jié)能10.5kWh。
按空壓機每年運行8000小時計算，年節(jié)能量為8.4萬kWh，每度電按0.8元計算年可節(jié)約電費6.72萬元。
節(jié)能案例四
變頻調(diào)速技術(shù)在鍋爐風(fēng)機節(jié)能改造中的應(yīng)用
工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中重要的熱能動力設(shè)備。工業(yè)鍋爐根據(jù)采用的燃料不同，通常分為燃煤、燃油和燃氣三種，這三種鍋爐的燃燒過程控制系統(tǒng)基本相同，只是調(diào)節(jié)燃料量的手段有所不同。傳統(tǒng)的控制方案中，鼓、引風(fēng)機采用電動機工頻定速、直接驅(qū)動的方式運行，風(fēng)量一般采用風(fēng)門擋板控制，電機，其弊端是操作復(fù)雜、調(diào)節(jié)不及時，調(diào)節(jié)精度較差，不能確保鍋爐的最佳運行狀態(tài)，浪費能源。
在工業(yè)鍋爐燃燒生產(chǎn)過程如采用變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，就可改變原有的操作方式，取消擋板調(diào)節(jié)，操作簡便，也可實現(xiàn)遠程控制，能夠有效地適應(yīng)鍋爐生產(chǎn)過程，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保持風(fēng)機高效的運轉(zhuǎn);電機實現(xiàn)軟啟動，無沖擊電流，設(shè)備故障率大大降低，維修費用大為減少。更重要的是大大降低了能耗，提高了效率，并降低了風(fēng)機的噪音，減少了噪聲對環(huán)境的影響。
某紙業(yè)有限公司蒸汽鍋爐的引風(fēng)機采用液力耦合調(diào)速，鼓風(fēng)機電機為AECK-360kW/10kV，額定電流26.3A;工頻全速運行時，鼓風(fēng)機的額定流量為：2950 m3/min、額定壓力520 mmH2O;在實際運行中，工作風(fēng)量是由操作工根據(jù)蒸汽溫度，調(diào)節(jié)擋板，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的目的。其風(fēng)門開度通常為68%(風(fēng)機流量2006 m3/min )~80%(風(fēng)機流量2360 m3/min )，電機功耗為236.14 kW ~277.06 kW。
根據(jù)上述工況，采用變頻技術(shù)對鼓風(fēng)機系統(tǒng)進行進節(jié)能改造，增加了1臺上電科NEMS-HVI型高壓變頻器(10 kV /360kW)及壓力傳感器等，通過變頻器的PID功能，實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)。改造后，當(dāng)工作流量為2006 m3/min時，電機功耗為123.5kW，節(jié)能率為48%;當(dāng)工作流為量2360 m3/min，電機功耗為191.4kW，節(jié)能率為31%，可見工作流量越低，節(jié)能效果越為顯著。該公司的實際工況是，設(shè)備在小流量運行的時間較長，該裝置的年平均節(jié)能率約42%。裝置總投資約50萬，運行10個月后已經(jīng)收回投資。
電動機廣泛應(yīng)用于拖動風(fēng)機、泵、鼓風(fēng)機、空氣壓縮機、制冷機和各種機床等機械傳動裝置及其他各類電氣設(shè)備，是量大面廣的終端耗能大戶。電機系統(tǒng)包括電動機、被拖動裝置、傳動控制系統(tǒng)及管網(wǎng)負荷。據(jù)統(tǒng)計，2010年我國各類電動機總裝機容量約為10億kW，年耗電量達2.38萬億kWh以上，約占全國用電量的57%。其中，風(fēng)機、泵類、壓縮機和空調(diào)制冷機的用電量分別占全國用電量的10. 4%、20. 9%、9.4%和6%。
改革開放以來，我國制造業(yè)有了長足發(fā)展，近些年企業(yè)通過自主研發(fā)和消化吸收，電動機、風(fēng)機、泵、壓縮機等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品性能、質(zhì)量有了顯著提高，對推動電機系統(tǒng)的節(jié)能工作起了很大的促進作用。
提高電機系統(tǒng)的能效，就是要在滿足工藝要求的前提下，消耗最少的能源，其能效提高的潛力在于電力變壓器、電機、拖動設(shè)備的自身效率及匹配達到最優(yōu)。
電機系統(tǒng)節(jié)能潛力
中小型電機用電量約占總發(fā)電量的50%以上，其產(chǎn)量的增長速度最能反映國民經(jīng)濟的增長速度，是國民經(jīng)濟中的重要產(chǎn)業(yè)。我國20世紀(jì)末前的一、二十年，年產(chǎn)量基本在3千萬kW左右。進入二十一世紀(jì)，國民經(jīng)濟高速發(fā)展，中小型電機也處于快速發(fā)展階段。據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，2008年我國交流電動機的產(chǎn)量達到創(chuàng)紀(jì)錄的2億kW，從2003年起首次突破1億kW，2003年至2008年底，我國交流電動機的總產(chǎn)量已突破9億kW，相當(dāng)于建國后50多年總和的近兩倍，而同期我國新增發(fā)電機裝機規(guī)模約4.5億kW(總裝機規(guī)模達8億kW)，為建國后50多年總和的1.3倍。從國際市場需求來看，2008年中小型電機的年出口量達3千多萬kW。我國已經(jīng)成為世界上最大的中小型電機生產(chǎn)、使用和出口大國。根據(jù)國際通用估算方法，電動機裝機容量為發(fā)電機裝機容量的2.5~3.5倍，據(jù)此推算，今后較長一段時期，電動機產(chǎn)量還將會持續(xù)快速擴大。中小型電機產(chǎn)業(yè)市場巨大，充分表明了中小型電機及系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中有著不可替代的重要地位和作用。
電機系統(tǒng)節(jié)能是當(dāng)今國際高度關(guān)注和重點研究的領(lǐng)域，也是我國“十一五”乃至“十二五”期間實施節(jié)能減排既定國策的重點關(guān)注領(lǐng)域。隨著全球能源消耗的逐年快速增長，節(jié)能降耗、減排，減少溫室氣體排放已成為全球共同關(guān)注的重大問題，中小型電機系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大，已經(jīng)成為世界各國政府和國際組織的共識。2008年我國全年總用電量為3.427萬億千瓦時，其中中小型電機系統(tǒng)用電1.95萬億千瓦時(折合標(biāo)煤7.9億噸)以上，約占全國總用電量的57%。
由于發(fā)達國家政府和國際組織的大力推動，國際領(lǐng)先企業(yè)已投入了大量人力、物力、財力，在節(jié)能型中小型電機及系統(tǒng)的研究開發(fā)及產(chǎn)品的推廣應(yīng)用方面取得了突破性進展。但與眾多國家比較，我國的電機系統(tǒng)尚存在很大的節(jié)能潛力和技術(shù)升級空間，長期以來我國在電機產(chǎn)品高效化、匹配的精細化、專用化方面、在專用高效電機產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)和研發(fā)手段、設(shè)施方面以及在電機控制等方面與發(fā)達國家有較大差距。主要表現(xiàn)在：
(1)電動機及被拖動設(shè)備效率低。電機產(chǎn)品效率比國外先進水平低2%～5%，雖然國產(chǎn)高效電機與國外先進水平相當(dāng)，但價格高、市場占有率低;風(fēng)機、泵、壓縮機產(chǎn)品效率比國外先進水平低2%～4%，雖然設(shè)計水平與國外先進水平相當(dāng)，但制造技術(shù)和工藝有差距。
(2)系統(tǒng)運行效率低。主要體現(xiàn)在系統(tǒng)匹配不合理，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重，設(shè)備長期低負荷運行;系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式落后，大部分風(fēng)機、泵類采用機械節(jié)流方式調(diào)節(jié)，效率比調(diào)速方式約低30%。電機系統(tǒng)就運行效率而言要比國外先進水平低10%～20%，相當(dāng)于每年浪費電能約1500億kWh。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：發(fā)達國家的電機的運行效率比我國高3~5%，系統(tǒng)運行效率要高25~30%，我國的電機及系統(tǒng)領(lǐng)域具有很大的節(jié)能空間。以2008年全年電機系統(tǒng)耗電計算，若改造現(xiàn)有電機系統(tǒng)的一半，使之平均提高運行效率25%，則可節(jié)約用電2575億千瓦時/年以上，折合標(biāo)煤1.04億噸以上，相當(dāng)于三峽08年發(fā)電總量的兩倍。既可節(jié)約電能，又可節(jié)約建電站的投資和相應(yīng)配套設(shè)施的投資，還大大減少了CO2等有害氣體的排放，是實現(xiàn)十一五期間單位GDP能耗降低20%的重要手段，也是低碳經(jīng)濟的重要組成部分。巨大的節(jié)能市場需求為我國中小型電機及系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展提供了難得的機遇。
電機系統(tǒng)節(jié)能解決方案——變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)
據(jù)統(tǒng)計，全世界的用電量中約有60%是通過電動機來消耗的。由于考慮起動、過載、系統(tǒng)安全等原因，高效的電動機經(jīng)常在低效狀態(tài)下運行。在這些電機中，有相當(dāng)一部分通過采用變頻器對其進行調(diào)速控制，有可能使電動機重新回到高效的運行狀態(tài)，這樣可節(jié)省大量的電能。
變頻調(diào)速原理
根據(jù)三相異步電動機的原理，三相異步電動機的軸轉(zhuǎn)速與供電電源的頻率之間有如下關(guān)系：
(1)
n——電機轉(zhuǎn)速
f——電源頻率
s——轉(zhuǎn)差率
p——電機極對數(shù)
考慮到轉(zhuǎn)差率s一般<<1，所以當(dāng)電機的極對數(shù)一定時，電機的轉(zhuǎn)速和電機供電電源的頻率成正比關(guān)系，因此可以通過調(diào)整供電電源的頻率來控制三相異步電動機的軸轉(zhuǎn)速。
負載類型
在實際的生產(chǎn)機械中，電動機的負載種類千差萬別，但我們可以將這些負載種類歸結(jié)到平方轉(zhuǎn)矩﹑恒轉(zhuǎn)矩、恒功率和粘滯性負載等幾類特性。而平方轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)矩負載特性占了全部負載中的絕大多數(shù)，我們只討論這兩種負載。
平方轉(zhuǎn)矩負載
平方轉(zhuǎn)矩負載的特性為：電機的軸功率與電機轉(zhuǎn)速的3次方成正比關(guān)系，即
(2)
式中ne、Ne—水泵的額定轉(zhuǎn)速和額定軸功率
n、N—水泵運行時的轉(zhuǎn)速和功率
恒轉(zhuǎn)矩負載
恒轉(zhuǎn)矩負載的特性為負載的轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，電機的軸功率與電機的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，即
(3)
式中n--三相異步電機的轉(zhuǎn)速
N--三相異步電機運行在n轉(zhuǎn)速的軸功率
k--傳動系數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時，k為常數(shù)
變頻調(diào)速節(jié)能原理
變頻調(diào)速節(jié)能原理從以上二種負載類型來說明：
平方轉(zhuǎn)矩負載節(jié)電原理
典型的平方轉(zhuǎn)矩類型負載是風(fēng)機和水泵。從流體力學(xué)的原理來說，風(fēng)機輸出的風(fēng)量或水泵輸出的水流量∝風(fēng)機或水泵的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機輸出的風(fēng)壓或水泵輸出的揚程∝風(fēng)機或水泵轉(zhuǎn)速的2次方，風(fēng)機或水泵的軸功率∝風(fēng)機或水泵轉(zhuǎn)速的3次方。因此若轉(zhuǎn)速下降20%，則功率可下降48.8% ;若轉(zhuǎn)速下降50%，則軸功率可下降87.5% ，即使考慮調(diào)速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也是相當(dāng)可觀的。
恒轉(zhuǎn)矩負載節(jié)能原理
對于恒轉(zhuǎn)矩負載有
(4)
式中NL--負載軸功率
TL--負載轉(zhuǎn)矩
n--負載轉(zhuǎn)速
由于負載轉(zhuǎn)矩一定，所以軸功率和負載轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。當(dāng)負載轉(zhuǎn)速的變化不影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量時，應(yīng)盡可能的降低電機轉(zhuǎn)速，達到節(jié)能的目的。
變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)適用范圍
許多行業(yè)、如鋼鐵、有色、石油、石化、化工、紡織、機械、電力、建材、醫(yī)藥、煤炭、造紙、卷煙、酒店、自來水等行業(yè)都在許多設(shè)備中采用交流電機變頻調(diào)速技術(shù)，產(chǎn)生節(jié)電、提高產(chǎn)品質(zhì)量及增產(chǎn)的效果。
節(jié)能潛力
變頻器要節(jié)電是有一定條件的。在不影響使用的條件下，適當(dāng)改變工況參數(shù)后，把不合理運行參數(shù)所消耗電能節(jié)省下來，就可做到從一般運行轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟運行。
要節(jié)能一定要降低頻率，頻率下降值越大，節(jié)電越多。不降低頻率，變頻器原則上是不能節(jié)電的。
與電動機負載率有關(guān)。負載率在10%～90%時，節(jié)電率最多約8%～10%，負載率低相應(yīng)節(jié)電率高些。但無功節(jié)電率大約40%～50%，是不計電費的。
與原來的運行的工況參數(shù)值的合理程度有關(guān)。例如，與壓力、流量、轉(zhuǎn)速等可調(diào)節(jié)的量值大小有關(guān)，可調(diào)整量大，則節(jié)電率就高，否則相反。
與原來采用的調(diào)整方式有關(guān)。采用進口或出口閥門方式來調(diào)整運行參數(shù)的，很不經(jīng)濟，若改為變頻器調(diào)速，則經(jīng)濟合理。使用變頻器調(diào)速后，比用人工閥門調(diào)整運行方法，能多節(jié)電達20%～30%。
與原來采用的調(diào)速方式有關(guān)。例如，原來用滑差電動機調(diào)速，因調(diào)速效率低，尤其在中、低速時，效率只有50%以下，很不經(jīng)濟，改為變頻器調(diào)速后，把這部分電能節(jié)省下來了。目前輕工、紡織、造紙、印染、塑料、橡膠等行業(yè)中，大多還在使用滑差電動機，故使用變頻器來實現(xiàn)節(jié)能，技術(shù)改造工作是當(dāng)務(wù)之急的事。
與電動機工作方式有關(guān)。例如，連續(xù)運轉(zhuǎn)、短時運轉(zhuǎn)、間歇運轉(zhuǎn)的節(jié)電量是不同的。
與電動機開動時間長短有關(guān)。例如，一天開機24h，一年開365天的節(jié)電量就大，反之則小。
與電動機本身功率大小有關(guān)。同樣節(jié)電率下，功率大的節(jié)電量值大，經(jīng)濟效益就大，哪怕節(jié)電率相對小功率電動機低些，但實際收益較大。
與本單位生產(chǎn)工藝設(shè)備重要性有關(guān)。首先要選產(chǎn)品電耗大的、產(chǎn)品成本高的、現(xiàn)用的調(diào)速方式是不夠經(jīng)濟合理的設(shè)各加以改造，改用變頻器后就能有立竿見影、事半功倍的效果。
在選用變頻器調(diào)速或節(jié)能時，應(yīng)該遵守以上10條原則，作為決定方案的前提。當(dāng)?shù)仉娰M價格高的，在同樣節(jié)電量時，經(jīng)濟收益就更大，這也是必然要考慮的事。
節(jié)能案例一
變頻調(diào)速技術(shù)在工藝風(fēng)機節(jié)能中的應(yīng)用
某玻璃生產(chǎn)廠生產(chǎn)鋼化玻璃時，須將普通玻璃經(jīng)過鋼化爐處理后形成鋼化玻璃。鋼化爐有加熱爐、冷卻段和風(fēng)機系統(tǒng)組成。鋼化玻璃工序工藝流程見圖1：
經(jīng)過磨邊處理的玻璃片從上片臺進入到加熱爐內(nèi)，被加熱到600-700℃左右，達到軟化
圖1 鋼化玻璃工序工藝流程
實際上玻璃鋼化的時間非常短，大概只有10s左右，其余時間主要是用來冷卻和待機。在鋼化成形時，由于要在玻璃表面形成巨大的溫度梯度，因此必須要用大量的空氣來冷卻，但在冷卻段和待機段，則不需要那么多的風(fēng)量。另外，玻璃的厚度不同，其所需風(fēng)量也不同，玻璃越薄，冷卻風(fēng)量需要越大， 生產(chǎn)到厚玻璃時，所需要的鋼化冷卻風(fēng)量也隨之減少，為了滿足最惡劣的工況，所以風(fēng)機的功率配的很高，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機進風(fēng)口上的風(fēng)門來滿足不同的工藝需求。
傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法是阻擋風(fēng)機入口的面積，使風(fēng)機的進風(fēng)量減小，以達到減小風(fēng)量的目的。這時候風(fēng)機的軸功率與風(fēng)量的關(guān)系可以由圖1中曲線1表示，而用調(diào)速方式來減小流量時，風(fēng)機的軸功率和風(fēng)量的關(guān)系可以由圖1中的曲線2表示，中間部分就是這兩者之間的節(jié)能量。從圖1可以看出，在風(fēng)量需求較小時，其節(jié)能量是很大的。當(dāng)風(fēng)量需求減少20%時，節(jié)能率約為36.16%，當(dāng)風(fēng)量需求減少30%時，節(jié)能率約為52.33%，當(dāng)風(fēng)量需求減少50%時，節(jié)能率約為78.72%。
圖3、圖4為鋼化爐生產(chǎn)線和鋼化爐風(fēng)機系統(tǒng)
該系統(tǒng)風(fēng)機是由一臺250kW、4極、380V的三相異步電機驅(qū)動，原先工作風(fēng)量是由操作工根據(jù)加工玻璃的厚度，設(shè)定輸入風(fēng)門的開度，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的目的。根據(jù)上述工況，采用變頻技術(shù)進行節(jié)能改造，變頻器選用上海格立特VC2000型產(chǎn)品。改造后，操作工根據(jù)加工玻璃的厚度，設(shè)定變頻器的輸出頻率，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的目的。表1是改造前后2種規(guī)格的玻璃鋼化時節(jié)能率的對比，表2是改造前后年用電量對比。節(jié)能案例二
變頻調(diào)速系統(tǒng)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用
某大廈是一座集餐飲和寫字樓為一體的綜合性商務(wù)大樓。該大樓有26層主樓和5層裙樓組成。占地面積6630 m2，建筑物占地面積2010.2m3，建筑面積42397.4m2，其中地上32693.0 m2，地下9704.4 m2。
該大廈主樓地面26層，地下二層。制冷主機采用廣州日立冷機有限公司風(fēng)冷熱泵式冷水機組，主機和循環(huán)水泵均安裝于裙樓樓頂上，各樓層配置組合式空調(diào)箱，各房間均配置風(fēng)機盤管。
中央空調(diào)主機有4組8臺，均為風(fēng)冷型制冷機，每組制冷主機的冷媒水進水總管上有一電磁閥，可通過BA系統(tǒng)控制閥門的開和關(guān)。
冷媒水泵6臺，其中
1#-2#水泵型號為DFW150-160(1)/2，流量160m3/h，揚程32m，功率22 kW， 2900 r/min，效率75%。配套電機型號為Y2-180M-2，額定功率22kW，額定電壓380V，電流40.5， 轉(zhuǎn)速2940r/min，功率因素0.911
3#-6#水泵型號為DFW150-315/4，流量200m3/h，揚程32m，功率30 kW， 1450 r/min，效率79%。配套電機型號為Y2-200L-4，額定功率30kW，額定電壓380V，電流57.6， 轉(zhuǎn)速1470r/min，功率因素0.865。
主機系統(tǒng)原理圖見圖1。
大廈主樓1層大堂空調(diào)采用集中送風(fēng)方式，配有1臺組合式空調(diào)箱，風(fēng)機為3kW風(fēng)機2臺。2層及以上共有206間辦公用房(未隔斷的毛坯房)，每間辦公用房安裝有2至3臺空調(diào)盤管，共有609臺空調(diào)盤管。每臺空調(diào)盤管都配一個電磁閥門，做開、關(guān)控制。每層配有一臺組合式空調(diào)箱做送新風(fēng)之用，風(fēng)機均為0.8kW。
大廈主樓系統(tǒng)原理圖見圖3。
裙樓1層為大堂，2層為餐廳，3至5層為辦公用房，空調(diào)均為集中送風(fēng)方式，每層有一臺組合式空調(diào)箱，1層配用風(fēng)機為1.8kW風(fēng)機3臺，2至5層配用風(fēng)機均為3kW風(fēng)機3臺，2層還配有回風(fēng)風(fēng)機1臺，功率為2.2kW。
大廈裙樓系統(tǒng)原理圖見圖2。
大廈有一套BA系統(tǒng)，用于控制空調(diào)箱風(fēng)機的運行停止和空調(diào)箱進水閥的開關(guān)。采用DDC控制方式，終端采用TREND IQ204控制器，每個終端控制2樓層的空調(diào)箱，每層有1路模擬量輸入，4路數(shù)字量輸入，3路模擬量輸出。
運行狀況
在正常情況下，主機由人工控制，一般運行二組RHU380AHZ1型機組，全部4組主機進、出水閥門全開，一般不調(diào)整。運行狀況為冷媒水出水溫度11-14℃,進水溫度15.5-17℃，溫差一般在3-4℃左右。
水泵由人工控制，一般運行二臺DFW150-315/4型水泵，進水口壓力一般為738.67kPa-740.73kPa，出水口壓力為806.03-810.77kPa。集水器壓力695.6-697.13kPa，分水器壓力778-780kPa。用超聲波流量計測得冷媒水出水總管流量為616-626m3/h。水泵運行功率為27.59kW和27.73kW。偶爾情況會開3臺水泵，每年開3臺的天數(shù)一般小于為7天。
各樓層空調(diào)箱運行由人工通過BA系統(tǒng)控制，運行情況為主機開時，空調(diào)箱進水閥門也開，風(fēng)機工頻運行。各房間盤管進水閥門有房間內(nèi)的空調(diào)開關(guān)控制，盤管風(fēng)機控制有2到3檔，也是有房間內(nèi)的空調(diào)風(fēng)量控制開關(guān)控制。
節(jié)能改造
水泵節(jié)能改造
根據(jù)系統(tǒng)運行狀況，我們將備用的主機進出水閥門關(guān)閉，則降低了系統(tǒng)1/3冷媒水需求流量。此外，又由于主機的進出水溫差在3-4℃。因此，通過采用格立特VF10型變頻器對水泵進行溫差控制，降低冷水流量來提高溫差到5℃，這樣既能提高主機效率，又能降低水泵能耗。根據(jù)測試，當(dāng)提高進出水溫差到5℃時，冷水流量可降低20%左右。水泵功率可降低30%-40%。平均節(jié)能35%計算，可節(jié)能19.36kWh/小時，以每天運行13小時計，節(jié)能251.7.7kWh/天。以每年運行3432小時計，則年節(jié)能66450.4kWh。電價以平均0.94元/kWh計算，則年節(jié)約電費59805.35元/年。
風(fēng)機節(jié)能改造
送新風(fēng)風(fēng)機
空調(diào)箱送新風(fēng)風(fēng)機只作運行和停止控制，運行時為工頻運行，一般風(fēng)量不作調(diào)整。這樣，不管是否需要，風(fēng)機都是全速運行，能耗較大。通過對主樓2層空調(diào)箱風(fēng)機測試，0.8kW的風(fēng)機實測電流為2.09A，運行功率約為1.06kW，負載率基本為100%。采用格立特VF10型變頻裝置后，風(fēng)機根據(jù)需求作變速運行。根據(jù)風(fēng)機理論，風(fēng)機風(fēng)量與風(fēng)機功率成立方關(guān)系，因而，可以大大節(jié)約能源。根據(jù)經(jīng)驗，我們將送新風(fēng)風(fēng)機的運行頻率設(shè)定在45Hz左右，這樣對樓內(nèi)人員舒適度沒有什么影響，而風(fēng)機功率可下降27.1%左右。同時對風(fēng)機做間歇送風(fēng)控制，占空比為50%，則又能節(jié)能50%左右，總計節(jié)能量在60%左右。對0.8kW的風(fēng)機，節(jié)能可達0.583kWh/小時，以每天運行13小時計，節(jié)能7.58kWh/天。以每年運行3432小時計，則年每臺節(jié)能約為2000.86kWh。節(jié)約電費1880.81元/臺。
送冷風(fēng)風(fēng)機
送冷風(fēng)風(fēng)機主要是主樓1樓和裙樓1樓至5樓的空調(diào)箱風(fēng)機。我們對主樓1樓，裙樓1、2、3樓做了風(fēng)機功率測試。測試情況見表3：
變頻調(diào)速技術(shù)在空氣壓縮系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用
某化纖有限公司現(xiàn)有英格索蘭空壓機4臺，排氣壓力0.85MPa，其中3臺MM160-8.5，容積流量為26m3/min，壓縮電機額定功率160kW;1臺MM75-8.5，容積流量為12.1m3/min，壓縮電機額定功率75kW。
(1)系統(tǒng)狀況
該公司4臺空壓機大多數(shù)時間采用一大一小方式運行，總供氣量為38.1m3/min，其中75kW空壓機設(shè)定加卸載壓力為0.66MPa和0.76MPa，160kW空壓機設(shè)定加卸載壓力為0.68MPa和0.78MPa。實際工作中75kW 的MM75空壓機約只有60%的加載率，160kW 的MM160空壓機基本一直處于加載狀態(tài)。
經(jīng)過測試，75kW空壓機卸載時最小輸入功率30kW左右，加載時最高輸入功率85kW，160kW的空壓機一直處于加載狀態(tài)，運行比較平穩(wěn)，輸入功率一直保持為165kW左右。
工廠工藝要求空壓機運行壓力不低于0.6MPa，需求量大時兩臺160kW工作。
2)節(jié)能原理
該公司的空壓機耗電量占全廠總耗電量16%左右，空壓機系統(tǒng)年總用電量為180萬kWh左右，因此對空壓機系統(tǒng)進行節(jié)能改造意義十分重大。
由于生產(chǎn)工藝所需的壓縮空氣不斷變化和生產(chǎn)安排的調(diào)整，導(dǎo)致車間對壓縮空氣的需求量也在不斷變化，為了適應(yīng)這種變化，空壓機系統(tǒng)一般采用加卸載的方式運行。壓縮空氣的需求量減少使空壓機排氣壓力達到卸載壓力時，空壓機開始卸載。空壓機卸載時進氣口關(guān)閉，電機空轉(zhuǎn)不產(chǎn)生壓縮空氣，但是其耗電功率基本占到額定功率的30%左右，甚至更多，從而導(dǎo)致空壓機系統(tǒng)在部分負荷時效率較低。
依據(jù)螺桿式空壓機的排氣量和轉(zhuǎn)速、耗電功率基本上成正比例的關(guān)系，通過采用變頻器對系統(tǒng)進行恒壓控制，可根據(jù)系統(tǒng)的實際用氣需求調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速，使空壓機排氣量和實際需求量達到基本平衡，系統(tǒng)壓力波動控制在較小的范圍內(nèi)，從而節(jié)約了空壓機采用傳統(tǒng)加卸載運行方式時不必要的能耗：降低傳統(tǒng)控制方式中加載時較高壓力導(dǎo)致的高電耗，避免卸載時空壓機電機空轉(zhuǎn)做無用功。
3)節(jié)能改造
根據(jù)該公司壓縮空氣系統(tǒng)的使用情況，我們配置了格立特VC-K型智能節(jié)電裝置，用于空壓機系統(tǒng)的控制。該智能節(jié)電裝置自動采集現(xiàn)場儲氣罐的壓力，根據(jù)壓縮空氣的實際需求量，按循環(huán)啟動的方式閉環(huán)控制4臺空壓機的運行，在滿足系統(tǒng)正常安全和穩(wěn)定運行的前提下，大幅降低系統(tǒng)運行能耗。系統(tǒng)示意圖見圖5。
當(dāng)系統(tǒng)中一臺75kW(產(chǎn)氣量12.1m3/min)空壓機以60%加載率運行，一臺160kW(產(chǎn)氣量26m3/min)空壓機無卸載運行時，系統(tǒng)實際每小時耗能約為236.5kWh，當(dāng)75kW空壓機改用變頻恒壓運行時，系統(tǒng)每小時耗能為226kWh，每小時節(jié)能10.5kWh。
按空壓機每年運行8000小時計算，年節(jié)能量為8.4萬kWh，每度電按0.8元計算年可節(jié)約電費6.72萬元。
節(jié)能案例四
變頻調(diào)速技術(shù)在鍋爐風(fēng)機節(jié)能改造中的應(yīng)用
工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中重要的熱能動力設(shè)備。工業(yè)鍋爐根據(jù)采用的燃料不同，通常分為燃煤、燃油和燃氣三種，這三種鍋爐的燃燒過程控制系統(tǒng)基本相同，只是調(diào)節(jié)燃料量的手段有所不同。傳統(tǒng)的控制方案中，鼓、引風(fēng)機采用電動機工頻定速、直接驅(qū)動的方式運行，風(fēng)量一般采用風(fēng)門擋板控制，電機，其弊端是操作復(fù)雜、調(diào)節(jié)不及時，調(diào)節(jié)精度較差，不能確保鍋爐的最佳運行狀態(tài)，浪費能源。
在工業(yè)鍋爐燃燒生產(chǎn)過程如采用變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，就可改變原有的操作方式，取消擋板調(diào)節(jié)，操作簡便，也可實現(xiàn)遠程控制，能夠有效地適應(yīng)鍋爐生產(chǎn)過程，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保持風(fēng)機高效的運轉(zhuǎn);電機實現(xiàn)軟啟動，無沖擊電流，設(shè)備故障率大大降低，維修費用大為減少。更重要的是大大降低了能耗，提高了效率，并降低了風(fēng)機的噪音，減少了噪聲對環(huán)境的影響。
某紙業(yè)有限公司蒸汽鍋爐的引風(fēng)機采用液力耦合調(diào)速，鼓風(fēng)機電機為AECK-360kW/10kV，額定電流26.3A;工頻全速運行時，鼓風(fēng)機的額定流量為：2950 m3/min、額定壓力520 mmH2O;在實際運行中，工作風(fēng)量是由操作工根據(jù)蒸汽溫度，調(diào)節(jié)擋板，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的目的。其風(fēng)門開度通常為68%(風(fēng)機流量2006 m3/min )~80%(風(fēng)機流量2360 m3/min )，電機功耗為236.14 kW ~277.06 kW。
根據(jù)上述工況，采用變頻技術(shù)對鼓風(fēng)機系統(tǒng)進行進節(jié)能改造，增加了1臺上電科NEMS-HVI型高壓變頻器(10 kV /360kW)及壓力傳感器等，通過變頻器的PID功能，實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)。改造后，當(dāng)工作流量為2006 m3/min時，電機功耗為123.5kW，節(jié)能率為48%;當(dāng)工作流為量2360 m3/min，電機功耗為191.4kW，節(jié)能率為31%，可見工作流量越低，節(jié)能效果越為顯著。該公司的實際工況是，設(shè)備在小流量運行的時間較長，該裝置的年平均節(jié)能率約42%。裝置總投資約50萬，運行10個月后已經(jīng)收回投資。
