水泥厂推广应用“风机水泵经济运行”节能效果的分析和研究

闫光启 潘世全 杨勇伟 王 立 颜 妍 王琳琳 慎建军 高国防

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

节约能源是我国的基本国策，是我国经济和社会发展的一项长远战略方针,并于2004年制定了“节能中长期专项规划”，为此启动了十大重点节能工程。作为耗能大户的水泥行业是国家宏观调控的重点，也是节能的重点行业，采取的主要节能技术有：燃煤工业（窑炉）改造、余热余压利用、电机系统节能、能量系统优化等项，通过实施专项规划，水泥单位产量综合能耗达到或接近国际先进水平。如按我国水泥年产12亿t计算，达到节能指标，则每年可节约百万t煤，节电百亿kWh，并且可使废气排放量降低，有利于保护环境，同时也降低了企业成本。电能是各种能源中最为经济实用、清洁方便，且容易传输、控制和转换的能源，电气节能技术推广将有助于减少一次能源的消耗和环境污染。水泥厂电气节能就是要从电网开始，在供、配、用电的各环节上挖掘节电的潜力。其中线路和变压器的节能，尽量降低供电系统的损耗；电机系统的节能，采用高效的传动系统，提高电动机系统的效率；推广交流变频调速系统节能技术；大力推广“绿色照明工程”，使用高效节能电光源；低温废气的余热综合利用，实现纯低温余热发电和供热工程；在运行过程中，还要对整个电网实施管理技术上的节能。

一条5 000 t/d新型干法水泥生产线，主要用电包括石灰石矿山，原料粉磨，熟料烧成，一直到水泥散装/包装发运等主要生产流程及空压机、水泵站、水处理、机电维修等辅助流程,有电动机约1 100台组。总装机功率约5.2万kW左右。其中，风机、水泵类设备的装机负荷约占45%，如果采取变频调速装置后，节电率达到18%的话，按年运行时间按照7 200 h计算，损耗可减少约8%～11%左右，全年可以节约用电约240万度电。

在水泥企业的生产过程中，风机、水泵类设备应用范围十分广泛。风机和水泵的选型计算一般都是根据生产中可能出现的最大负荷条件，如最大流量和压力或扬程进行选择的。（风量的裕量系数约为5%～15%,压力的裕量系数约为10%～30%），但实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态，所需的流量（压力）往往比设计的最大流量（压力）小的多。同时为适应生产工艺的要求和运行工况的控制和调节，传统控制方法大多是采用调节挡板式阀门开度的大小来调整受控对象。用这些方法节流，虽然方法简单，但实际上是通过人为增加管网系统阻力的办法来达到调节的目的。见图1。这样，不论生产需求的大小，电机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以挡板的节流损失消耗掉了。不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，还增加了设备运行环境噪音的污染。在电气拖动设备的运行过程中，经常遇到拖动设备的负荷变化较大，而动力源电机的转速却不变，也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化，出现“大马拉小车”的现象，造成能源浪费。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下，其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%～25%，也是一笔不小的生产费用开支。

同时，由于风机、水泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，当电机通过工频直接启动时，它将会产生7～8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。

因此，对于流量变化较大的风机、水泵，采取调速的方法改变流量，是节电的有效方法。见图2。流量的调速方法很多，常用的如变极调速、二次电阻控制调速、电磁离合器变速、液力偶合器变速、液压联轴器变速、可控硅串级调速、变频调速等。这些控制方法，各有其特点。当流量调节在90%以上时，各种调速方法的效率差不多,应选用价廉的设备；由于调速装置的效率也在90%以上，也可不采用调速装置。若流量在60%以下时，变频、变极和串级调速，效率高，其它控制方法不太适宜。在变频、变极、串级三种高效调速方法中，由于后两种调速方式，要改变原有电极的定子绕阻极对数、原有基础位置等，不如变频调速方法容易采用，而且变极调速不能实现无极调速。

调速可以节能，但节能的多少，需视调速系统的运行工况、运行时间 (调节与不调节流量的时间比)、流量调节范围的大小而定。在运行中，由于流量减少，电动机和调速装置的效率也有所下降，但电能的节约量在增加。衡量风机、水泵调速节能效果大小，主要以节能率(即节能功率与额定功率之比)来反映。

用调整电动机的转速来改变风机、水泵的流量时，一般有以下关系:

流量和驱动电动机的转速成正比:Q∝N

电动机的负载转矩,即扬程和靜压力与转速2次方成正比例:T或H∝N2

轴功率等于转速和转矩的乘积，即与转速或流量的3次方成比例:P∝N3

式中:P:功率(KW)；T:转矩(N.m)；N:转速(rpm)

以上表明随着降低流量，所需功率将按降低率的3次方下降，节能效果十分显著。

大多数风机、水泵需要调整其输出流量，传统的风机、水泵转速不变，而用档板或阀门，减小其开度，降低流量。随着流量的减少，亦能降低功耗。但若用变频器改变驱动风机、水泵的电动机转速来调整流量，则能节省更多的功耗。常以两者功耗之差定义为变频器的节能效果。见图1。

图1中,横向坐标是流量和转速的百分值，实际上流量和转速是一致的,改变转速就是改变流量。纵向坐标是对应某种控制方式所需功率的百分值。图1中列举了5种情况。

①功耗最大的曲线是对应档板、阀门装在出风侧来调整流量方式，功耗最大，最不节能。

②对应档板阀门装在吸入侧来调整流量，相对第1种情况功耗较少。所以如采用档板、阀门控制，宜尽可能将它们装在吸入侧，以减少能耗。

③采用转送功率的变速控制，如串级控制等的功耗曲线，有明显的节能效果，但这类设备落后，目前已很少采用。

④变频调速控制，能大量节能，设备先进，安装、使用、维护都十分方便，推荐广泛应用。

⑤理想节能曲线，不考虑变频器和有关设备的效率，完全按3次方递减功率的理论计算的功耗曲线，只能作参考，不宜作实际测算节能效果用，否则会夸大节能效果。

还必须指出，节能是指相对不同控制方式的耗能比较，采用变频调速控制时的节能值，一般是指和装在吸入侧档板、阀门调整流量时相比，减小的功耗值。

例如，风量减小为80%，查图1曲线，对装在吸入侧档板、阀门方式耗功率值为71%。采用变频调速控制时的耗功率值为54%,节能值即为差值17%,节能率为17/71×100%=24%。

节能计算案例

试计算160 kW风机采用变频器调速控制流量和吸入侧采用档板和阀门控制流量时的耗功率值。计算条件:

年运行时间:假设为7 200 h

流量调整:按70%运行3 500 h、75%运行2 500 h和80%运行1 200 h三种固定工况计算。

电费按平均电价0.50元/kWh(度)支付计算。

按图3的风量-功率曲线，查得不同风量时的耗功率百分值和计算的节能百分值，计算如表1所示。

表1 160 kW风机采用变频器调速控制流量和吸入侧采用档板/阀门控制流量时的耗功率值/费用总值

根据本案例的计算结果表明:

①风机、泵采用变频控制，节能效果十分显著，经济效益相当好。变频器设备投资约20万元左右，则不到20个月就能回收全部投资；

②该案例除了节能、降低运行费用外，还对保护环境有积极意义，如按照可节约标准煤0.345 kg/kWh、CO2的排放系数按0.12 Kg∕kWh折算，则在上述案例中，可节约标准煤271,840×0.345=93,785 Kg∕年、CO2年排放量将减少271,840×0.12=32,621 Kg∕年；

③实际风量、流量将根据用户负荷来调整。一般根据运行经验能画出近似的各季月的负荷曲线，再利用上图曲线，很方便地计算出各负荷段的节能值，然后累计各段的节能值，即得到年节能效果。本案例采用的计算方法，避免了烦琐的计算，简便易行，值得推荐使用；

④建议各单位对目前运行中风机、水泵类设备负荷进行一次普查，看是否有电动机驱动的风机和水泵，还在采用档板或阀门来调整风/水等的流量，若有这类情况，一般常可根据实际运行情况，按上述方法进行变频控制的节能计算,预测节能效果，据以决策是否采用变频器来实现节能控制；

⑤采用变频控制的优点，除了节能外，还能通过变频器的PID闭环调节功能，实现最佳工艺设备运行工况闭环控制，节能效率将进一步提高，不再详细叙述。

变频调速节能计算时需考虑变频器的效率。

GB12668定义变频器为转换电能并能改变频率的电能转换装置。能量转换过程中必然伴随着损耗。在变频器内部，逆变器功率器件的开关损耗最大，其余是电子元器件的热损耗和风机损耗，变频器的效率一般为95%～96%,因此在计算变频调速节能时要将变频器的4%～5%的损耗考虑在内。如考虑了变频器的损耗本案例中计算的节能率，就不是35.2%，而应该为30%～31%，这样的计算结果与实际节能率更为接近。

需要指出并注意的是，上述这类离心机械设备的工作特性，虽然都遵守比例定律，但在工程实际应用中，风机和水泵却存在明显的不同之处。对于风机，在绝大数情况下，系统工作时，基本特性接近理论值；对于水泵，在系统工作时，由于实际扬程的存在，在同样流量变化时，调速泵的节能效果要低于调速风机的节能效果。因此，在设计或选用调速装置时，要考虑上述因素。

采用变频器对风机、水泵的变速调节控制外,还可实现大的电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。

1）采用变频器调速装置的注意事项:

采用变频调速器对离心风机进行调速来控制风量，与调节阀门控制风量相比具有明显的节电效果。但在有些场合，变频调速器不能完全取代风机的阀门，在设计中要引起特别注意。由于离心风机的风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比,风机在恒速下,风压-风量特性曲线为管网风阻特性阀门开度全开风机工作在点时输出风量,在满足同样风量的情况下，风压大幅度降低，功率相当于面积随着显著减少，节能效果十分显著。从上面的分析还可以看出，调节阀门控制风量，随着风量的减少，风压反而增加；而采用变频调速器调速来控制风量，随着风量的减少，风压大幅度下降。风压下降太多，有可能满足不了工艺要求。即如果工况点在曲线轴所围区域内部，单纯地依靠变频调速器调速将无法满足工艺要求，需要和阀门调节结合才能满足工艺要求。要兼顾风量和风压这两个指标，否则会带来不良的后果。

2）变频器调速装置安装、调试时应注意事项。

避免过载:风机和水泵一般不容易过载，选择变频器的容量时保证其稍大于或等于电动机的容量即可;同时选择的变频器的过载能力要求也较低，一般达到120%，1 min即可。但在变频器功能参数选择和预置时应注意，由于负载的阻转矩与转速的平方成正比,当工作频率高于电动机的额定频率时，负载的阻转矩会超过额定转矩，使电动机过载。所以，要严格控制最高工作频率不能超过电机额定频率。

启/停时变频器加速时间与减速时间的匹配：由于风机和泵的负载转动惯量比较大，其启动和停止时与变频器的加速时间和减速时间匹配是一个非常重要的问题。在变频器选型和应用时，应根据负荷参数计算变频器的加速时间和减速时间来选择最短时间，以便在变频器启动时不发生过流跳闸和变频器减速时不发生过电压跳闸的情况。

避免共振:由于变频器是通过改变电动机的电源频率来改变电机转速实现节能效果的，就有可能在某一电机转速下与负荷轴系的共振点、共振频率重合，造成负荷轴系不能容忍的振动，有时会造成设备停运或设备损坏，所以在变频器功能参数选择和预置时，应根据负荷轴系的共振频率，通过设定跳跃频率点和宽度，避免系统发生共振现象。

憋压与水锤效应:水泵类负载在实际运行过程中，容易发生憋压和水锤效应，所以变频器选型时，在功能设定时要针对这个问题进行单独设定。

①憋压，水泵类负载在低速运行时，由于关闭出口门使压力升高，从而造成泵汽蚀。在变频器功能设定时，通过限定变频器的最低频率来限定泵流量的临界点最低转速，可避免此类现象的发生。

②水锤效应，水泵类负载在突然断电时，由于泵管道中的液体重力而倒流。若逆止阀不严或没有逆止阀，将导致电机反转，因电机发电而使变频器发生故障或烧坏。在变频器系统设计时，应使变频器按减速曲线停止，在电机完全停止后再断开主电路，或者设定“断电减速停止”功能，可避免该现象的发生。

在变频器的电源侧和电机侧都会产生谐波干扰，对供电电网和变频器周围的其他电气设备要产生EMC干扰。另外为了确保变频器长期可靠的运行，变频器的接线是非常重要的。变频装置还会产生一些高频干扰信号。如果能给高频噪声电流Is有一条正确的通道，则高频噪声是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽电机电缆，则高频噪声电流Is制以一个不确定的路线流回变频器，并在此回路中产生高频分量压降，影响其他设备。为使高频噪声电流Is能沿确定路线流回变频器，需要采用屏蔽电机电缆。并确保电缆屏蔽层必须连接到变频器外壳和电机外壳上。同时，要保证变频装置有良好的接地:为确保传动柜中的所有设备接地良好，使用短和粗的接地线连接到公共接地点或接地母排上。特别重要的是,连接到变频器的任何控制设备（比如一台PLC）要与其共地,同样也要使用短和粗的导线接地。最好采用扁平导体（例如金属网）因其在高频时阻抗较低。

电机电缆的地线应直接连接到相应变频器的接地端子（PE）。

安装变频器时,建议安装板使用无漆镀锌钢板，以确保变频器的散热器和安装板之间有良好的电气连接。

对变频电机应采用专用变频电缆且电缆两端都应接地。敷设时变频电缆不能与其它电缆长距离平行走线，最好与其它线成垂直角度，且长度应尽可能的短，以减少电磁辐射和容性电流及变频器输出电压的快速变化产生的电磁干扰。另外，随着现场总线技术在变频器中的运用，其数字信号和模拟信号通过总线直接与上位机以从/主关系进行通讯，变频柜内的接线简化也节约了设备成套成本，安装接线也特别简单。设计时，还可以将变频器以墙挂箱的形式安装于现场，这就大大缩短了变频器与电机之间的距离，节约了电缆，还减少了对周围其它电气设备的干扰。

控制电缆最好使用屏蔽电缆。一般来说，控制电缆的屏蔽层应直接在变频器的内部接地，另一侧通过一个高频小电容（例如3.3nF／3000V）接地。当屏蔽层两端的差模电压不高和连接到同一地线上时，也可以将屏蔽层的两端直接接地。信号线和它的返回线绞合在一起,能减小感性耦合引起的干扰。绞合越靠近端子越好。模拟信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线。不同的模拟信号线应该独立走线，有各自的屏蔽层，以减少线间的耦合。不要把不同的模拟信号置于同一个公共返回线。低压数字信号线最好使用双屏蔽的双绞线，也可以使用单屏蔽的双绞线。

为减少对电网的高次谐波干扰，在变频装置的输入侧配置滤波电抗器。

对于压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载情况下，如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话，有可能发生因峰值电流使过电流保护动作现象。

变频器驱动潜水泵电动机时，因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流大，所以选择变频器时，其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。

当变频器控制罗茨风机时，由于其启动电流很大，所以选择变频器时一定要注意变频器的容量是否足够大。

3）其他应用

对于供水系统,如果计算后水泵的选型为H，可以有两种方案供选择:

①选择两台H容量的水泵，采用一用一备的方案；

②选择三台H/2容量的水泵，采用二用一备的变频器驱动方案。

方案二的优点:

①供水系统调节灵活；②三台交替工作，循环使用；③采用变频装置的启动，减少对电网的冲击；④根据工艺的控制需要，实现闭环恒压控制系统；⑤节能效果显著。

4）结论

企业向内控制成本节约一分，所取得的效益，远胜于市场销售业绩增加十份的努力。

[1] 陆安定,等.电动机节能改造实用手册[M].