一种变转矩负载的节电模型

一种变转矩负载的节电模型南京新联电能源服务有限公司用电分析部：孟庆海 2016 年 9 月 26 日一、背景1、变转矩负载（如水泵、砂泵、风机类、搅拌机等螺旋浆类负载）应用十分广泛，总装机容量约占工业电力拖动总量的 50%，尤其是在冶金、石油、化工、食品、发电、供水、大型楼宇空调等行业中，变转矩类负载数量多、功率大，已经成为这些企业的通用机械设备，也成了企业的用电大户。变转矩负载的机械特性具有共同的特征，流体的流量与转速成正比、流体的压力负载转矩与转速的平方成正比，拖动电机转轴上输出功率与转速的立方成正比。即转速的大小变化，将引起电机转矩和输出机械功率的强烈变化。研究变转矩负载的实际工况，应用现代控制技术和手段，使拖动电机与变转矩负载及实际工况处于最好的匹配运行状态，对于做好变转矩负载的节能降耗，推进企业应用现代技术水平，大幅度降低生产成本是十分有益的。2、变转矩负载运行特性分析1）设计中的设备选型，通常考虑的裕量过大。根据设计规范规定，风机、水泵类的流量裕度分别为 5%10% ，风压、扬程裕度分别为10% 15%。设计过程中很难计算管网的阻力、并考虑到长期运行过程中发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量、流量和风压、扬程裕度作为设备选型的依据，但风机、水泵的型号和系列是有限的，往往选取不到合适的风机和水泵型号时就往上靠，裕度大于2030%比较常见。因此这些风机、水泵运行时，只有靠调节阀门或风道挡板的开度来满足生产工艺对流量的要求。风机和水泵的机械特性均为平方转矩特性，水泵、风机运行时，用阀门的开度调节流量来满足供水、供风要求，利用调节风门、风道档板或阀门的开度来调节风机风量，水泵流量的方法、称为节流调节。在节流调节过程中，风机或水泵固有特性不变、仅仅关小风门、挡板或阀门的开度，人为地增加管路的阻力，由此增大管路系统的损失，不利于风机，水泵的节能运行。风机、水泵的额定流量、扬程远大于实际需求流量、扬程。绝大多数流体系统中设备都是满载驱动、全功率输出，与实际工况需求不匹配。风量、流量调节都是通过调节管道风门挡板、阀门开度、回流来实现。这种风量、流量调节方式不仅使风机、水泵等变转矩负载设备的效率降低，而且还造成很多能量白白消耗在挡板、阀门的阻力上。为改善流体系统的运行工况，节约电能，增加经济效益，如采用调速装置，控制驱动电动机的转速来取代流体系统中用于调节工艺参数的风门挡板、阀门开度、可改善设备的运行性能，提高设备的效率，节约大量的电能。很多变转矩负载均可根据实际运行工况，流体控制参数，采用调速控制，实现系统的最佳匹配运行。2）传统流体工艺参数（流量、压力）的调节控制方法：工艺所需流体参数回流阀门开度调节流体参数调节方法：控制单元，控制流体设备起动，全负荷运行，管道阀门 100%打开。当工艺需求流体参数减少时，通过人为关小阀门的开度或开大回流阀门开度来达到调节流体流量、压力的目的，使之与生产工艺需求相匹配。3）参阅相关资料，变转矩负载（流体设备）轴功率与调节门开度的有如下比例关系：流量(%) 调节门开度（100%） 入口门控制轴功率(%) 出口门控制轴功率(%)100 100 100 10090 73 94 9880 50 88 9470 40 82 9160 30 76 8550 25 70 8140 20 64 7430 13 58 6720 10 52 584）利用阀门开度来调节流体流量、压力的方法存在浪费电能的现象。5）根据理论计算，当风机、水泵的转速从 N1 变为 N2 时， 流量 Q 、 扬程 H 、 轴功率 P 理论上的变化关系为：Q2 =Q1 (N2 /N1 ) 电源 控制单元 流体设备 管道阀门开度调节H 2 =H1 (N2 /N1) 2 P 2 =P1 (N2 /N1 ) 3 Q -风量（流量） H -风压（扬程） P- 风机轴功率由上式可知风机或水泵流量与转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次方成正比。因而，理想情况下有如下关系。变转矩负载（流体设备）轴功率与转速的比例关系如下：流量(%) 压力(扬程)(%) 转速(%) 轴功率(%)100 100 100 10090 81 90 72.980 64 80 51.270 49 70 34.360 36 60 21.650 25 50 12.56）利用现代控制技术，针对实际生产工艺运行工况，改变流体设备的转速来达到调节工艺参数的目的，是一种改善设备运行性能，提高设备运行效率，节约电能的有效方法。3、变转矩负载调速控制节电模型电源 调速控制单元流体设备流量/压力输出工艺流体所需参数流量/压力测量/变送流量/压力反馈信号3.1 模块功能3.1.1 调速控制单元3.1.1.1 具有输出电压、频率调节功能。3.1.1.2 具有流体参数设定功能。3.1.1.3 具有比例、积分、微分（PID）调节功能。3.1.1.4 具有数字量、模拟量（I/O）点输入、输出功能。3.1.1.5 具有电动机软起动、停止功能。3.1.1.6 具有电动机过载、短路、过电压、欠电压、接地、缺相等保护功能。3.1.2 流体设备（三相交流电动机）3.1.2.1 驱动设备旋转调速功能，驱动转速随电源频率的变化而变化即转速 n=60f/p (n-转速 f-电源频率 p-电动机极对数)3.1.2.2 具有输送流体功能。3.1.3 变送器3.1.3.1 具有将流体参数转换成相对应的电流信号或电压信号输出功能。3.2 调节转速控制方法3.2.1 根据生产工艺的需求，在调速控制单元内，设置输出流体所需参数的给定值。3.2.2 给调速控制单元发出运行指令，软起动运行流体设备（泵、风机）逐步达到满负荷运行（系统中无流体或很少量） 。3.2.3 随着流体设备输送时间的推移，系统未段传感变送器检测到流体参数值的变化，及时将信号反馈到调速控制单元。3.2.4 调速控制单元接收到传感变送器的反馈信号与设定值进行比较运算，PID 调节控制输出电源频率，频率的变化速率与比较信号差值成正比。3.2.5 流体参数经过不断地采样、比对、调节的闭环控制，最终使流体输出参数值稳定在工艺所需要的范围内。运用现代控制技术、传感技术，根据生产工艺对流体参数（流量、压力）的需要设定流体参数输出值，利用安装在输出端的传感器，将输出信号值反馈到调速控制单元与设定值进行比对运算、PID 调节控制，调速控制单元输出调速控制信号（频率） ，控制调整流体设备的转速，使流体输出参数值随转速的变化而变化，从而达到连续、稳定输出工艺所需参数值的闭环调节。不仅改善了生产工艺控制过程，提高系统自动化水平，而且节约了大量电能消耗，降低了生产运行成本。4、变转矩（流体类）设备，采用阀门调节流量、压力与采用设备调速调节流量、压力的轴功率比较关系。1）采用档板、阀门调节流量、压力时对应电动机轴功率 P 挡 与流量Q 的关系为：P 挡 ( 0.4+0.6Q )*Pe-(1)2）采用调速调节流量、压力时对应电动机轴功率 P 变 与流量 Q 的关系为P 变 Q 3Ple N 3Pe-(2)式中：Pe-阀门全开、额定转速、额定流量时电动机轴功率(kW)。N电机转速Q流量参考文献:GB/T12497-2006三相电动机经济运行GB/T13468-92泵类系统电能平衡的测试与计算方法GB/T13466-2006交流电气传动风机、泵类、空气压缩机系统经济运行通则GB/T13469-2008离心泵混流泵轴流泵与旋涡泵系统经济运行GB/T15913-2009风机机组与管网系统节能监测