变频器在离心泵节能中的应用.doc

http:/www.paper.edu.cn变频器在离心泵节能中的应用姜凯华，许志详，何京敏 中国矿业大学化工学院，江苏徐州 (221008) E-mail: anjkh163.com摘 要：本文首先叙述了离心泵的两种调节方法，通过对比从而阐述了离心泵节能的基本原理。其次简要介绍了变频器工作的基本原理，以及整个变频控制系统的构成。可以看出利用 变频器自动控制离心泵的调节具有节能、方便的优点。 关键词：离心泵；变频器；变频调速；节能；泵中图分类号：TH311；TM921.51The application of frequency converter in centrifugal pumps energy savingJIANG Kai-hua, XU Zhi-xiang, HE Jing-minCollege of Chemical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou(221008)AbstractThis paper describes two adjusting methods of the centrifugal pump , points out the basic principle of centrifugal pumps energy saving by contrast . then it introduces the basic principle of frequencyconverter in brief and the composition of the frequency control system.It has proven that the adjustment of centrifugal pump with frequency converters automation has the advantage of energy-saving and convenientKey words: centrifugal pump; frequency converter; frequency conversion adjusting speed; energy conservation; pump- 4 -1. 前言在化工生产中，流体输送是最常见的，甚至是 必不可少的单元操作。离心泵是化工生产过程中主 要的流体输送机械，它通过叶轮使流经叶轮的流体 受离心力的作用来提高流体的机械能，用于克服流 体输送沿程中的机械能损失。泵在我国的需求量非 常大，每年发电量的 20%25%都耗在泵类产品上， 其中离心泵约占泵总量的 80%左右。通常所选离心 泵的扬程、流量和管路中的要求不一致。在选用离 心泵时，有人不是依据正常流量而是依据最大流量 来选择，同时为了留有余量再放大一个系数，以致 造成“大马拉小车”的局面。并且在实际操作时工艺 参数常有变动，当泵的实际操作参数偏离额定参数 较大时泵的工作效率将大大降低。在泵的流量需要调节时，传统的方法是调节管 路上阀门的开度来控制流量，该方法操作简单但是 会在阀处产生能量损耗。改变转速调节方法能有效 地避免这一点。随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，变频器已广泛用于交流电动机速度控制。利用变频器可以实现任意调节电机转速， 实现平滑的无极调速。在泵负荷变化频繁且负荷变 化大的场合更能体现出节能效果。2. 离心泵的调节方法。离心泵在管路上工作时，由于生产任务发生变 化，出现泵的工作流量与生产要求不适应或者已选 好的离心泵所提供的流量不一定符合输送任务要 求时都需要对泵进行流量调节，改变泵的工作点。 泵的工作点由泵的特性和管路特性决定。因而改变 其中的任一特性曲线均可达到调节流量的目的。1） 改变阀门的开度 管路的特性曲线可表示为：式中H管路所需的扬程。 Q管路内的液体流量。 B阻力系数，随管路的阻力增大而增大1。图 1 改变阀门开度时的特性曲线改变管路上阀门的开度即可改变管路特性曲 线。当阀门关小时管路的阻力变大，管路特性曲线 变陡，如图 1 曲线 1 所示2。工作点由 M 点移动到 M1 点，流量由由 QM 降至 QM1，当阀门开大时管路 的阻力变小，管路特性曲线得平坦，如图 1 曲线 2 所示。工作点由 M 点移动到 M2 点，流量由 QM 增 加到 QM2.利用阀门调节简单快速，但是当关小阀门时人为地增大了阻力，因而要多耗能量。有时甚至使得 泵在低效率区运行。2） 改变泵的转速 根据离心泵的比例定律有：图 2 改变泵转速的特性曲线泵的转速改变导致泵的特性曲线改变，如图 2所示2。泵原来的转速为 n，工作点为 M 点。当将 转速增加到 n1 时，泵的特性曲线上移，工作点由 M点移到 M1 点，流量由 QM 点增至 QM1；当将转速降低到 n2 时，泵的特性曲线下移，工作点由 M 点移 到 M2 点，流量由 QM 点减至 QM2 点。由图可见流 量随着转速的减小而减小，动力的消耗也相应减 小。3） 两种调节方法的比较。 在要求流量减小时，将两种调节方法的特性曲线绘制在一起如下图所示2。图 3 改变阀门开度和泵转速时的特性曲线A 点是流量为 Qn 时的工作点，当通过改变阀 门的开度调节时，工作点由 A 点移动到 B 点，当通 过改变转速调节时工作点由 A 点移动到 C 点。关小阀门使工作点移动 B 点时，泵工作在 B 点， 其轴功率为：改变转速使工作点移动 C 点时，泵工作在 C 点， 其轴功率为：可见，两种情况下泵的轴功率差为： 这便是改变转速调节相对阀门调节的节能数值3。例某台离心泵工作转速为 n2900 r/min，泵的特 性曲线可用 H30-0.01Q2(m)表示，管路的阻力曲 线可表示为 L10+0.04Q2 (m)，式中 Q 的单位为 m3/h，泵的效率取 0.6，设供水量为泵在装置中运行最大输水量的 75%时,求出口节流调节与变速调节相比多消耗功率多少?解：如图 3 所示，A 点为泵在系统在运行的最大供水量，则有：30-0.01Qn210+0.04 Qn2解得：Qn20m3/h， 实际供水量Q1Qn 75%20×75%15 m3/hHB30-0.01Q1230-001×15227.75m HC10+0.04 Q1210 十 0.04×15219m， 由比例定律知：节流调节所需泵的轴功率为： 变速调节所需泵的轴功率为： 节流调节多消耗功率：=1.89-1.29=0.6KW可见利用转速调节可以显著提高节能效率。3. 转速的改变方法传统的电机调速方法是通过改变齿轮变速箱 的速度比得到不同的转速，这种机械式有级变速方 式不能保证最有利的变速，而且调速装置体积大、 造价高。根据电机学可知，交流电动机的转速公式为：式中：f定子供电频率；P极对数；S转差率。要想泵的转速平滑的变动，由上式可知可以均 匀地改变定子供电频率 f 来实现。通过变频器调节 电源频率来调节电机转速。然而只调节 f 是不行的， 因为：E=4.44fNk U当定子电压 U 不变时，与 f 成反比，f 的升 高或降低，会导致磁通的减小或增大，从而使电动机最大转矩减小，严重时将导致电动机堵转， 或者使磁路饱和，铁耗急剧增加。因而，在调节电 源频率的同时要调节电压的大小，以维持磁通的恒 定，使最大转矩不变。根据 U 和 f 不同的比例关系， 变频器通常有以下几种调速方式：1、 恒比例控制方式（U/f 值不变）。2、 恒磁通控制方式（E/f 值不变）。3、 恒功率控制方式（U/ 值不变）。4、 恒电流控制方式。 对于泵，其负载随转速下降而减小，因此可选恒比例控制方式，其电机的最大转矩随频率 f 的降低而减小。采用 U/f 方式的变频器，在输出某 一频率，负载一定时，存在一个最佳工作点。负载 变化时，最佳工作点也转移。针对这一特点，大部 分变频器设置了节能运行的功能，变频器能够自动 搜索最佳工作点，因此可以用于泵的自动控制中。 使电机总是工作在最佳工作点上运行。从而达到节 能的目的4。4. 变频器的基本构成异步电动机调整转速时，通常由变频器主电路 个电动机提供调频电源。此电源输出的电压及频率 由控制电路的控制指令进行控制，控制指令是根据 外部的运转指令进行运算获得的。对于通用变频器 通常是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然 后再把直流电变成频率、电压均可控制的交流电。 其基本构成如下图。其中：整流器的作用是把工频电源变换成直流 电源；逆变器的作用是将直流功率变换成所要求频 率的交流功率；平波回路用于缓冲电路中的无功能 量；控制电路的主要任务是完成对逆变器的开关控 制，对整流电路的电压控制以及完成各种保护功能 4。5. 变频调速自动控制系统如图所示，系统处于自动变频状态。由流量变送器 测量出口流量并转换为标准电信号。PLC 根据设定 流量值与泵后流量的实际值的差值通过 PID 运算出 变频所需要的频率值，将该值输入到变频器的控制 电路，变频器根据输入信号进行内部运算后转为真 实的工作频率，从而调整电机转速，达到调整流量 的目的5。6. 结束语客观分析化工生产过程，存在大量流体输送， 由于没有采取有效的方法来调节控制流体流量造 成能源的巨大损失。对于我们这个发展中国家而言 是很不利的因素。所以有必要采取合理措施来改变 这一现状。传统的靠改变阀门开度的方法来改变流 体流量的方法造成能源损失，而使用变频器来调节 离心泵的转速从而得到调节流体流量的方法更加 有利，在节约能源的同时降低了劳动强度，并且能 使整个生产过程达到最佳运行状况。从长期来看通过使用变频器达到节能的效果是一本万利。使用变 频器不仅使整个生产过程更加人性化、智能自动 化，同时也产生巨大的经济效益。参考文献1祈彦伟.浅谈离心泵变频调速节能. 节能技术 ,2005（5）,477-4792夏 清、陈常贵. 化工原理M. 天津: 天津大学出版 社,2007.106-1083曹忠辉.两种变频供水系统中离心泵的运行特点及节能分析. GM 通用机械,2005（6）,66-684刘美俊.通用变频器应用技术M.福建:福建科学技术 出版社,2005.38-425杨 程.变频器用于水泵节能原理与实践.设备管理与维修,1997（6）,29-30