馮東升， 張金輝， 張智華

(上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

羅茨風機在冶金、建材、化工、紡織等行業(yè)都有廣泛應用，目前不使用變頻器的羅茨風機控制系統(tǒng)主要是讓電機恒轉速運轉，采用羅茨風機的進出風閥門調節(jié)，將壓力控制在一定范圍，從而實現流量控制。這種方式不僅操作不便且浪費大量電能，在能源日趨緊張的局勢下，勢必要對其進行變頻改造。

1 羅茨風機變頻調速的優(yōu)點

交流變頻調速技術是迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動調速技術，由于具有其他眾多調速方式無可比擬的優(yōu)越性，從而成為交流電機調速控制的首選方式，其主要優(yōu)點如下:

(1)可實現平滑的無級調速，精度高，范圍寬(0～100%)，效率高達95%以上;

(2)起動轉矩大(可限定在額定值的1～1.25倍)，起動電流小，電動機的轉矩脈動小，可實現軟起動且運行平穩(wěn);

(3)安裝容易，調速方便，操作簡單，容易與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)銜接;

(4)可靠性高，且有過流、過壓、欠壓、過載等多種保護功能。

2 羅茨風機的特性

羅茨風機為容積式風機，如圖1所示，輸送的風量與轉數成比例，三葉型葉輪每轉動一次由2個葉輪進行3次吸、排氣，在2根平行的軸上設有2個三葉型葉輪，輪與橢圓形機箱內孔面及各葉輪三者之間始終保持微小的間隙，由于葉輪互為反方向勻速旋轉，使箱體和葉輪所包圍著的一定量的氣體由吸入的一側輸送到排出的一側。各支葉輪始終由同步齒輪保持正確的相位，不會出現互相碰觸現象，因而可以高速化，不需要內部潤滑，而且結構簡單，運轉平穩(wěn)，振動小，噪聲低，性能穩(wěn)定，適應多種用途，已廣泛運用。

羅茨風機運行特性的最大特點是其容積回轉特性，可以近似認為風機所能達到的最大壓力與轉速無關，即不同轉速下所能達到的最大壓力維持不變，流量與轉速成正比。因此，將羅茨風機看成恒轉矩負載。

圖1 羅茨風機運行原理示意圖

3 羅茨風機變頻改造效果分析

由于羅茨風機的恒轉矩負載特性，相應的羅茨風機系統(tǒng)屬于典型的恒壓輸出系統(tǒng)，因此恒壓控制后系統(tǒng)運行在恒轉矩變流量狀態(tài)。

在采用變頻調速，且系統(tǒng)流量需減小時，降低羅茨風機轉速，使羅茨風機在規(guī)定壓力下低流量點運行。羅茨風機的輸入功率與流量成近似線性關系，如圖2所示。因此，羅茨風機進行變頻改造后的節(jié)能效果主要決定于所運行流量的大小，羅茨風機的耗電量與流量成正比。

圖2 羅茨風機恒壓變流系統(tǒng)減速運行的功率消耗圖

對于全速工頻運行的系統(tǒng)，通過調節(jié)進風閥門開度來調節(jié)流量，則進風風阻增加，使輸入的風壓降低，產生大量的電能浪費;若采用輸出排風方法調節(jié)輸出流量，排出的風也同樣浪費，造成電能的浪費。因此，采用變頻恒壓控制改造后可降低羅茨風機的運行轉速，減少電消耗，實現節(jié)能。

系統(tǒng)改造后還可使系統(tǒng)實現軟起動、軟停止，減少系統(tǒng)起動對電網的沖擊，減少系統(tǒng)起動次數，運行平穩(wěn);由于羅茨風機運行轉速的降低，減少了機械磨耗，延長了電機和羅茨風機的使用壽命。

系統(tǒng)若采用壓力閉環(huán)控制方案改造，可實現全自動控制，真正實現無人值守。

4 羅茨風機變頻改造后節(jié)能量計算

目前羅茨風機在應用時，調節(jié)方式有兩種，一種是羅茨風機的輸入口有閥門調節(jié)或輸入流量受限制造成流量不均衡，另一種是采用輸出側直接放風的方式。在這里對兩種方式分別進行變頻改造節(jié)能效果分析。根據羅茨風機的負載特性，由于羅茨風機效率較高，這里忽略損耗。

4.1 基本計算公式

式中:PW——風機消耗的電功率;

U——電壓;

cos φ——功率因素;

Q——流量;

η——風機效率;

I——電流;

P——壓力;

k——常數。

4.2 輸入側調節(jié)方式變頻改造節(jié)能分析計算

對于羅茨風機的應用場合來說，工藝要求壓力、流量恒定。由于改造前采用進風口閥門調節(jié)，降低了輸入的風壓，因此羅茨風機的進風和出風的壓差保持不變:

采用變頻調速后要保證流量不變，但由于羅茨風機的進風壓力升高，進風和出風的壓差變小，根據式(2)可知，羅茨風機的消耗功率將隨壓力增加量的降低而降低，因此節(jié)電率為

式中:PW節(jié)流——節(jié)流運行時的電功率;

Py節(jié)流——節(jié)流運行時的壓差;

PW變頻——變頻運行消耗的功率;

Py變頻——變頻運行時的壓差。

根據理想狀態(tài)方程，假定節(jié)流不影響輸入風的溫度，則閥門開放的面積比等于進風壓力比，即

式中:S節(jié)流——節(jié)流運行時的閥門開放截面積;

S——進風管截面積。

因此，由式(4)、(5)可得:

4.3 輸出側調節(jié)方式變頻改造節(jié)能分析計算

系統(tǒng)在工頻下運行，由于改造前采用出口放風閥門來調節(jié)，因此可認為羅茨風機電機運行在額定工作狀態(tài)。采用變頻調速后要保證使用流量不變，關閉排風閥門后，羅茨風機的消耗功率與額定流量的比值為

式中:Pe——工頻運行時的電功率;

P變頻——變頻運行消耗的功率;

Qy——生產線需要的流量;

Qe——羅茨風機的額定流量。

因此節(jié)電率為

在實際計算時，一般很難得到需要的流量數值，因此通過上述計算方法很難計算出節(jié)電率，但很容易得到輸送管道的管徑、排風管的管徑和排放管閥門的開度，因此可得到:

式中:Dy——羅茨風機輸出管管徑;

Dp——排風管管徑;

Kp——排放管閥門開度。

在上述計算中未考慮系統(tǒng)損耗等情況，以上是理論計算值，實際工況比上述計算復雜得多，因此節(jié)能率要比計算值低些。

5 水泥廠羅茨風機變頻改造實例

某立窯水泥廠，生產線上的羅茨風機是主要的耗能設備，其風量是按工藝要求進行調節(jié)的。以前的水泥廠通過采用調節(jié)進風口或放風口擋板開起度的方法來滿足工藝要求。由于該方法是以增大風阻或犧牲風機效率來達到要求的，即以增大耗能為代價取消風量的粗調，同時過剩的風量向空中排放，又加重了環(huán)境污染，諸多弊端一直困擾著每一家水泥廠。

5.1 現有設備技術參數

現有設備技術參數分別如表1、2所示。

表1 電機參數

表2 羅茨風機參數

5.2 選用變頻器時的有關要求

羅茨風機屬于恒轉矩類負載，在選配羅茨風機變頻調速裝置時，應避免選用離心風機、水泵等專用的變頻調速器，而應選用恒轉矩負載類的通用變頻調速器。選用變頻器拖動的主要目的是按需要的用風量合理調節(jié)壓力的設定值，實現穩(wěn)壓節(jié)能運行。按配套電動機額定電流選用變頻器，變頻器要有內置PID調節(jié)功能和4～20 mA或0～10 V模擬信號接口，使用地點的電壓變動率要在變頻器允許輸入電壓范圍內。

5.3 變頻改造技術方案

改造方案采用變頻器對羅茨風機進行變頻控制，變頻運行時人工給定信號，變頻器自動增加或減少電機運行頻率，改變風機的運行轉速。在變頻改造時，保留原系統(tǒng)起動柜不變，只需要將起動裝置的進線和出線與變頻裝置開關柜連接，當變頻裝置需要檢修或因為各種原因不能正常工作時，系統(tǒng)可切換到通過原有的起動系統(tǒng)運行，保證生產。系統(tǒng)原理示意圖如圖3所示。

圖3 變頻兩組聯(lián)合控制方案示意圖

5.4 節(jié)能效果分析計算

(1)直接節(jié)電效果分析。

按上文分析可按如下公式計算節(jié)電率:

變頻改造運行后，根據系統(tǒng)實際消耗功率的測試數據計算出系統(tǒng)節(jié)電率達到23.6%，與計算值較為接近，可見變頻改造確實可以有明顯的節(jié)能效果，并且節(jié)能分析預估算對制定節(jié)能方案具有指導意義，十分必要。

(2)間接經濟效益分析:變頻軟起動節(jié)省電能，并減少了維修費用，操作便捷，節(jié)省了勞動力等。

6 結語

羅茨風機變頻改造時應按恒轉矩負載考慮，實例表明，對羅茨風機實施變頻調速，具有調速性能好、改造方便、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點，可以普遍推廣到羅茨風機的各個應用領域。

［1］馮垛生，張淼.變頻器應用與維護［M］.廣州:華南理工大學出版社，2001.

［2］上海市經委節(jié)能辦公室.風機水泵調速節(jié)能手冊［M］.2版.北京:機械工業(yè)出版社，2005.