羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能效益分析

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、羅茨真空泵、回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(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)品雙油箱羅茨風(fēng)機(jī)、水冷羅茨風(fēng)機(jī)、油驅(qū)羅茨風(fēng)機(jī)、低噪音羅茨風(fēng)機(jī)，贏得了市場好評和認(rèn)可。

泵與羅茨風(fēng)機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體壓力能和動能的通用流體機(jī)械，在石化、冶金、電廠中使用非常普遍，例如，在熱電廠中，泵與羅茨風(fēng)機(jī)所消耗的電能幾乎占到廠用電的70～80%。提高泵與羅茨風(fēng)機(jī)的效率，合理進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，是企業(yè)節(jié)能減排的重要途徑。
變速調(diào)節(jié)技術(shù)是泵類和羅茨風(fēng)機(jī)普遍采用的一項(xiàng)重要的節(jié)能措施，變頻節(jié)能改造節(jié)能效益和節(jié)能量的計(jì)算是關(guān)系到項(xiàng)目是否具備改造可行性的關(guān)鍵因素。目前，對變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果的分析，多直接運(yùn)用相似定律，與實(shí)測節(jié)能效果存在很大誤差。
本文擬分析相似定律的適用范圍，探討切合實(shí)際的節(jié)能量計(jì)算方法，最后通過相關(guān)改造項(xiàng)目檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性。
2 泵與羅茨風(fēng)機(jī)的相似定律
根據(jù)流體力學(xué)原理，對同一臺泵與羅茨風(fēng)機(jī)，相似工況之間的性能參數(shù)關(guān)系為：
（1）
式中Q為流量;n為轉(zhuǎn)速;H對于泵為揚(yáng)程，對于羅茨風(fēng)機(jī)為壓頭;N為功率。
如圖1，A1點(diǎn)的流量和揚(yáng)程己知為QA1和HA1，任一與A1點(diǎn)相似的工況點(diǎn)參數(shù)為Q和H，則：
（2）
顯然這是一條過原點(diǎn)的拋物線，稱為相似曲線，與A1相似的工況全在這條線上。
相似定律的前提是調(diào)節(jié)前后工況必須相似，但泵運(yùn)行時，大多存在靜揚(yáng)程或背壓。此時，兩種轉(zhuǎn)速下的工況點(diǎn)不直接滿足相似定律。如圖1所示，管路特性曲線為h=hp+SQ2，原工況為A1，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n1。轉(zhuǎn)速改變?yōu)閚2之后，泵與羅茨風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)為E2，而轉(zhuǎn)速為n2時，與A1所對應(yīng)的相似工況為A2，顯然A2≠ E2。
該負(fù)荷下的節(jié)能率通過計(jì)算可表示為：
（3）
該方法在計(jì)算節(jié)能量時要知道泵與羅茨風(fēng)機(jī)的性能曲線、管路特性曲線，但這些數(shù)據(jù)在現(xiàn)場很難得到，因此，在實(shí)際改造項(xiàng)目中難以采用。
4 基于額定流量和額定功率的計(jì)算法
對羅茨風(fēng)機(jī)、水泵原采用閥門、擋板進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，后采用變頻調(diào)節(jié)，《泵與羅茨風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)》給出了一個節(jié)能量計(jì)算公式：
（4）
式中：PL、Q為水泵、羅茨風(fēng)機(jī)采用擋板調(diào)節(jié)流量時的電機(jī)輸入功率和流量;Pe為水泵、羅茨風(fēng)機(jī)額定功率，kW;Qe為水泵、羅茨風(fēng)機(jī)額定流量，m3/s。
當(dāng)流量的調(diào)節(jié)范圍在（0.5-1）Qe時，電機(jī)變頻調(diào)節(jié)相比節(jié)流調(diào)節(jié)的節(jié)電率k為：
（5）
式中ηb為調(diào)速機(jī)構(gòu)效率。
將式（4）帶入式（5），即可得到基于電機(jī)功率PL、Pe的變頻調(diào)速相對于節(jié)流調(diào)節(jié)的節(jié)電率計(jì)算公式：
（8）
5 實(shí)例計(jì)算
某熱電公司一次羅茨鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)為：額定風(fēng)量265000m?/h，電機(jī)額定功率2400kW，風(fēng)門開度30～40%。
5.1 節(jié)電量計(jì)算
風(fēng)門開度為30%，羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流為107A，電機(jī)的功率為：
PL = 1.732×10000×107×0.88=1630.85 kW;
羅茨風(fēng)機(jī)的額定功率與電機(jī)的額定功率差別較大，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時電機(jī)一般會根據(jù)軸功率考慮1.05～1.30的安全系數(shù)確定，所以用電機(jī)的額定功率除以安全系數(shù)作為風(fēng)門全開時的軸功率，這里取安全系數(shù)為1.25，則：Pe=2400/1.25=1920 kW
將PL和Pe帶入式（3-13），節(jié)電率為： k =27.14%。
節(jié)電量： ΔP =PL×k = 1630.85 ×27.14%=442.61 kW
羅茨風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)門開度下的節(jié)電情況統(tǒng)計(jì)如表1。
5.2 節(jié)電量計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證
表2和表3分別為工頻和變頻的實(shí)際抄表數(shù)值及平均每小時耗電量。
變頻后實(shí)際節(jié)電率=（1494-1162）/1494=22.22%
由實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算一次羅茨風(fēng)機(jī)變頻后的節(jié)電率為22.22%，與理論節(jié)能量計(jì)算結(jié)果（23.14%）大致相符，證明所提出的節(jié)能量計(jì)算方法是適用的。
6 總結(jié)
本文研究了泵與羅茨鼓風(fēng)機(jī)相似定律的適用性，提出了適用于實(shí)際項(xiàng)目節(jié)能評價的計(jì)算方法，并對項(xiàng)目實(shí)施后的節(jié)能情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，初步驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性，還需在后續(xù)類似項(xiàng)目中進(jìn)一步驗(yàn)證。

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