飼料生產(chǎn)企業(yè)風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗技術(shù)
王洪平
離心風(fēng)機(jī)是飼料生產(chǎn)企業(yè)常用的輔助生產(chǎn)設(shè)備，主要用于通風(fēng)與除塵裝置中，如飼料加工中旋風(fēng)除塵器及布袋除塵器等均需要利用離心風(fēng)機(jī)對生產(chǎn)場地進(jìn)行除塵處理，確保生產(chǎn)環(huán)境潔凈，保護(hù)生產(chǎn)者身心健康（孫武亮，2007）。風(fēng)機(jī)是一種高耗能的設(shè)備，消耗的電力資源所占比例較大，隨著能源問題的日益緊張及高產(chǎn)、高效工作面的推廣應(yīng)用，節(jié)能降耗已成為飼料生產(chǎn)企業(yè)普遍關(guān)注的問題，許多飼料生產(chǎn)企業(yè)把降低風(fēng)機(jī)的電耗作為當(dāng)前的重要工作。降低風(fēng)機(jī)的電耗除了提高風(fēng)機(jī)本身的效率外，合理地選用風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是最重要的。當(dāng)前，飼料生產(chǎn)企業(yè)風(fēng)機(jī)的節(jié)能調(diào)節(jié)方法比較陳舊，一般采用節(jié)流調(diào)節(jié)。當(dāng)采用節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)的流量主要采用調(diào)節(jié)閥門或節(jié)流擋板來進(jìn)行調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)的節(jié)流量大，低負(fù)荷時(shí)甚至節(jié)流50%以上，由于存在節(jié)流損失及偏離高效區(qū)運(yùn)行，能量浪費(fèi)非常嚴(yán)重。如果調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，既可以取消節(jié)流損失，又可以保證風(fēng)機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)，就可以大幅度節(jié)約電能。本文介紹了風(fēng)機(jī)的節(jié)能幾種方法，比較了各種方法的特點(diǎn)，指出了變頻調(diào)速技術(shù)是目前風(fēng)機(jī)的最佳節(jié)能途徑，對飼料生產(chǎn)企業(yè)具有現(xiàn)實(shí)意義。
1 合理選擇風(fēng)機(jī)的工況
風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中的理想工作狀況是要保證其輸出風(fēng)量的穩(wěn)定，同時(shí)本身的工作效率又能保持在較高水平。為此，首先當(dāng)然要選用高效型風(fēng)機(jī)，但是在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，由于操作條件的變化，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)往往會(huì)隨之轉(zhuǎn)移，以致輸出風(fēng)量相應(yīng)地發(fā)生變化。我們能否找到一種因生產(chǎn)操作變動(dòng)對風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量影響較小的選擇？圖1是風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中的工作情況。n為風(fēng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速時(shí)的性能曲線，R1、R2、R3分別為不同生產(chǎn)操作情況下的管網(wǎng)特性曲線。當(dāng)風(fēng)機(jī)在工作點(diǎn)1運(yùn)行時(shí)，如果管網(wǎng)阻力從 P1增加到P2，則風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)就將從1移向2，其風(fēng)量就將從Q1降為Q2；如果風(fēng)機(jī)在工作點(diǎn)2 運(yùn)行，當(dāng)管網(wǎng)阻力由P2 增加到P3，且其增加量與P1增加到P2相同，則風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)將由2移至3，其風(fēng)量將由Q2降至Q3。顯然，從后面圖3中可以看到，Q2-Q3>Q1-Q2，亦即風(fēng)機(jī)在工作點(diǎn)1運(yùn)行時(shí)，管網(wǎng)阻力的變動(dòng)對風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響要小于工作點(diǎn) 2的情況。究其原因，因?yàn)楣ぷ鼽c(diǎn)1位于風(fēng)機(jī)性能曲線的陡峭部分，而工作點(diǎn) 2 則位于性能曲線的較平坦部分。所以我們在選擇確定代表風(fēng)機(jī)大小的具體機(jī)號時(shí)，應(yīng)該從風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)在性能曲線上的位置來對比判斷。眾所周知，同樣阻力和風(fēng)量的風(fēng)網(wǎng)，可以選用大小不同、轉(zhuǎn)速各異的風(fēng)機(jī)，此時(shí)就應(yīng)根據(jù)上述原理，在風(fēng)機(jī)效率相近的情況下選擇工作點(diǎn)位于其性能曲線的陡峭部分的風(fēng)機(jī)，以減少在實(shí)際生產(chǎn)中風(fēng)量的過大波動(dòng)。風(fēng)量變動(dòng)過大，必然會(huì)影響除塵和風(fēng)選效果；對氣力輸送系統(tǒng)來說，就容易引起掉料。通常情況下，選用大風(fēng)機(jī)低轉(zhuǎn)速往往優(yōu)于選用小風(fēng)機(jī)高轉(zhuǎn)速。
圖1 風(fēng)機(jī)工況選擇節(jié)能原理 2 節(jié)流調(diào)節(jié)
所謂節(jié)流調(diào)節(jié)是在不改變風(fēng)機(jī)本身特性的情況下，通過改變節(jié)流檔板的開度（比如用檔板關(guān)小風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)門），即改變節(jié)流阻力來控制氣體的流量，使管網(wǎng)特性發(fā)生改變。改變管網(wǎng)特性常用的方法是在管網(wǎng)中裝設(shè)調(diào)節(jié)閥門，通過閥門的啟閉度，使管網(wǎng)阻力變化而改變風(fēng)機(jī)工況，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量。如圖2，n為風(fēng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的性能曲線。當(dāng)其在R1的管網(wǎng)特性曲線下運(yùn)行時(shí)，其工作點(diǎn)為a1，此時(shí)的風(fēng)量和壓力分別為Q1和P1；當(dāng)調(diào)節(jié)管網(wǎng)中的閥門使管網(wǎng)特性曲線為R2時(shí)，則工作點(diǎn)將從a1移至a2，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量則從Q1降為Q2，而壓力（即管網(wǎng)阻力）則從P1增至 P2。此時(shí)，對應(yīng)于這兩種不同工況下風(fēng)機(jī)的功率（軸功率），可用工作點(diǎn)a與座標(biāo)軸之間所包圍的面積來表示，因?yàn)楣β适秋L(fēng)量與壓力的乘積。因此，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)在a1時(shí)的功率為 OP1a1Q1O 所圍成的面積，在工作點(diǎn)a2時(shí)的功率為OP2a2Q2O所圍成的面積。從圖2中可以看出，后者顯然小于前者，即表示通過關(guān)小閥門，調(diào)小風(fēng)量，風(fēng)機(jī)能耗得到降低，但降低的幅度要小于風(fēng)量減少的幅度，亦即另有一部分功率要消耗在閥門的阻力上，如圖中陰影部分。這是閥門調(diào)節(jié)的缺憾。
圖 2 風(fēng)機(jī)節(jié)流節(jié)能原理 3 導(dǎo)向器調(diào)節(jié)
導(dǎo)向器的調(diào)節(jié)主要是在不改變風(fēng)道特性的情況下，依靠裝在風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的導(dǎo)向器來改變氣流進(jìn)人風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)的方向流，具有預(yù)旋作用。它的經(jīng)濟(jì)性要比節(jié)流調(diào)節(jié)法高得多。當(dāng)風(fēng)機(jī)在50%～60%負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，采用導(dǎo)向器調(diào)節(jié)法可節(jié)約電耗約30%～35%。而且導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)較簡單，所以得到較廣泛地應(yīng)用。
4 速度調(diào)節(jié)
風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所耗能量
W=KpQt/1000η (1)
式中Q-風(fēng)機(jī)所需通風(fēng)量(流量)，m3/s；K-與氣體密度有關(guān)的系數(shù)；p-風(fēng)機(jī)所需風(fēng)壓，Pa；t-通風(fēng)時(shí)間，h；η-風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率，%。
從式(1)看出，降低風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與減少風(fēng)機(jī)的流量可以降低風(fēng)機(jī)的電耗。根據(jù)風(fēng)機(jī)的相似理論，對于同一臺(tái)風(fēng)機(jī)流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，風(fēng)壓p與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，即
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這就是風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)的基本原理，通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能大大降低風(fēng)機(jī)消耗的功率，從而降低風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所耗的能量。下面通過調(diào)速節(jié)能原理圖與傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)方式來進(jìn)行一下比較，從中不難看出采用調(diào)速運(yùn)行比節(jié)流調(diào)節(jié)有著顯著的節(jié)能效果?，F(xiàn)在用改變轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度對比的方法來分析它們的節(jié)能效果。原理如圖3所示。橫縱坐標(biāo)分別為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓，曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速下的風(fēng)壓- 風(fēng)量（H-Q）特性曲線；曲線2為恒速下的功率-風(fēng)量（PS-Q）特性曲線；曲線 3為管網(wǎng)風(fēng)阻特性（風(fēng)門全開）。假設(shè)風(fēng)機(jī)在A點(diǎn)工作時(shí)效率最高，此時(shí)的風(fēng)量為全量，顯然軸功率PS1=Q1×H1，大小為矩形 H1AQ1O的面積。如果需要將風(fēng)量減小一半，即風(fēng)量由Q1減小到Q2，這里采用兩種方法：（1）采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的辦法， 則風(fēng)機(jī)的阻力曲線3變到4，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)由A移到B，可以看出，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量雖然減少了，但風(fēng)壓卻由H1 增加到了H2，其軸功率PS2為矩形 H2BQ2O的面積，與H1AQ1O的面積差距不是太大；（2）采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)量的辦法，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由原來的N1降到N2，可以畫出此時(shí)的風(fēng)機(jī)特性曲5，可以看出風(fēng)壓大幅度的降到H3，軸功率PS3為矩形H3CQ2O的面積。從圖3可以看出第(2)種方法的節(jié)能效果非常顯著。
圖 3 風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能原理 5 風(fēng)機(jī)速度調(diào)節(jié)方式
如上所述，變速調(diào)節(jié)方法可以達(dá)到節(jié)能效果，但是，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有多種方式，我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇一個(gè)最佳方式。
從感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知：
n=(1-s)60f1/P (3)
式中，n-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/min）； f1-電動(dòng)機(jī)端電壓的頻率（Hz）； s-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；P-電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對數(shù)。
要改變轉(zhuǎn)速，可以分別考慮以f1、s、P為變量來討論。對于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，常用的交流調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速法、電磁調(diào)速法、變極調(diào)速變頻調(diào)速等。
5.1 調(diào)壓調(diào)速法
異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M正比于電源電壓U的平方（M∝U12），而且額定轉(zhuǎn)矩MN與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系（MN∝1/n），因此，改變電源電壓即改變電磁轉(zhuǎn)矩，便改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方法由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于大轉(zhuǎn)差（ns）下，在調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差功率以熱能形式損耗在轉(zhuǎn)子中，必須采用特殊的籠型電動(dòng)機(jī)，避免在低轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生大電流而發(fā)熱。這種調(diào)速方法效率低，其自然機(jī)械特性較軟。要想得到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，必須采用反饋法，一般適應(yīng)30kW以下的電機(jī)中。
5.2 電磁調(diào)速法
電磁調(diào)速系統(tǒng)由電磁轉(zhuǎn)差離合器(電樞與電動(dòng)機(jī)同軸，激磁線圈與輸出端同軸)、籠型電動(dòng)機(jī)和控制器3部分組成的。這種調(diào)速法的電機(jī)渦流損耗大，速度損耗也大，轉(zhuǎn)差功率以熱能形式損耗，同樣存在效率低、機(jī)械特性軟的缺點(diǎn)。當(dāng)控制器故障時(shí)，負(fù)載無法切換至額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，因此多適應(yīng)于100kW以下的電動(dòng)機(jī)中。
5.3 變極調(diào)速法
變極調(diào)速是電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對數(shù)P，以改變旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法，這種方法雖然具有能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速無附加轉(zhuǎn)差損耗的優(yōu)點(diǎn)，但由于電機(jī)的極對數(shù)只能整數(shù)，因此屬于跳躍性的有級變速，須與電磁式調(diào)速系統(tǒng)配合才能平滑調(diào)速，而且電機(jī)外接線多，必須使用專用電動(dòng)機(jī)，很不方便。
5.4 變頻調(diào)速法
變頻調(diào)速的工作原理是，將三相交流電經(jīng)大功率整流元件轉(zhuǎn)變成直流，再將直流電利用正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)，逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電，供電動(dòng)機(jī)使用。
從式（3）式可知，如果保持電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)P和轉(zhuǎn)差率s不變，改變電動(dòng)機(jī)定子的供電頻率f，也可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。因?yàn)閁1≈E1=4.44KN1f1為了保持在調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，就需要維持電機(jī)的磁通不變，即要求U1/ f1=常數(shù)，也就是電動(dòng)機(jī)的端電壓U應(yīng)隨f1作相應(yīng)的變化?，F(xiàn)在市面上為風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速提供了許多專用變頻器，如1PM、1GBT或AMB-G7等高性能風(fēng)機(jī)專用數(shù)字式變頻調(diào)速器。采用數(shù)字鍵盤、模擬電位器、觸摸面板控制。應(yīng)用開環(huán)、控制方式和閉環(huán)PID控制方式實(shí)現(xiàn)壓力控制、流量控制、溫度控制等程序運(yùn)行，控制方式靈活。同時(shí)，應(yīng)用優(yōu)化空間矢量PWM控制，輸出電流平穩(wěn)，具有電流限幅、過壓失速、回升制動(dòng)、轉(zhuǎn)速跟蹤、平滑再啟動(dòng)性能。變頻調(diào)速法的調(diào)速范圍大，精度高，運(yùn)行中只要改變電源頻率f1，就能得到與之相對應(yīng)的不同風(fēng)機(jī)機(jī)械特性，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)在節(jié)能方面具有世界領(lǐng)先的技術(shù)。除上述特點(diǎn)之外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）功率因素cosφ=1，從而可以減少無功電流和無功損耗；
（2）工作點(diǎn)穩(wěn)定，用風(fēng)設(shè)備壓力變化小。如變頻調(diào)速中Δf=1.5Hz，Δn=0.36r/min，壓力變化僅±（50～80）Pa；
（3）變頻技術(shù)可達(dá)到無級調(diào)速，風(fēng)壓變化平緩，減輕了風(fēng)道振動(dòng)和軸承磨損，延長了設(shè)備的壽命；
（4）應(yīng)用變頻調(diào)速后，電機(jī)可以軟起動(dòng)，起動(dòng)電壓降減少，對電網(wǎng)的沖擊大幅減少。
6 結(jié)束語
風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式與節(jié)能的關(guān)系非常密切，因此，研究并改進(jìn)它們的調(diào)節(jié)方式是節(jié)能最有效的途徑和關(guān)鍵所在。風(fēng)機(jī)的節(jié)能問題和技術(shù)必須引起飼料生產(chǎn)企業(yè)的足夠重視。一要注意風(fēng)機(jī)等設(shè)備選用節(jié)能型，盡量避免“大馬拉小車”現(xiàn)象。二要從設(shè)計(jì)、安裝中注意風(fēng)道、節(jié)流環(huán)節(jié)的合理性，以減小節(jié)流損失。盡量使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行風(fēng)壓和流量接近于額定壓力和流量，使運(yùn)行工作點(diǎn)長時(shí)間地保持在高效率區(qū)。三是采用經(jīng)濟(jì)而可靠的調(diào)節(jié)方式控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行更是風(fēng)機(jī)節(jié)能的當(dāng)務(wù)之急。而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行的調(diào)節(jié)方式是提高能源利用效率最佳方法，也是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要手段，為了實(shí)現(xiàn)人類與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展應(yīng)該走節(jié)能之路。
飼料企業(yè)工業(yè)通風(fēng)除塵風(fēng)機(jī)的耗電量較大，目前還有相當(dāng)數(shù)量的設(shè)備是較陳舊，而且仍采用節(jié)流調(diào)節(jié)的傳統(tǒng)方法，所以從對其進(jìn)行技改，其節(jié)能潛力很大。對于流量調(diào)節(jié)幅度大，低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)間長的風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，變頻變壓調(diào)速法的節(jié)能效益和提高自動(dòng)化程度更為突出。因此，伴隨高科技的進(jìn)步，高新技術(shù)、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，風(fēng)機(jī)的調(diào)速方面推薦多采用變頻調(diào)速法。 | 
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發(fā)表于 2008-6-13 01:37:48
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