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富凌變頻器在羅茨風機上的節能應用

富凌變頻器在羅茨風機上的節能應用

一、概述

羅茨風機為容積式風機，輸送的風量與轉數成比例，葉輪端面和風機前后端蓋之間及風機葉輪之間者始終保持微小的間隙，在同步齒輪的帶動下風從風機進風口沿殼體內壁輸送到排出的一側。風機內腔不需要潤滑油，高效節能，精度高，壽命長，結構緊湊，體積小，重量輕，使用方便，產品用途廣泛。羅茨鼓風機輸送介質為清潔空氣，清潔煤氣，二氧化硫及其他隋性氣體，特殊氣體行業如煤氣、氫氣、天然氣、沼氣、乙炔、二氧化碳、二氧化硫等易燃、易爆及腐蝕性氣體及高壓工況的首選產品。鑒于具有上述特點，因而能廣泛適應石化、建材、電力、冶金、礦山、港口、化工、儀器、輕紡、食品、造紙、水產養殖、真空包裝、和污水處理、環保產業等諸多行業領域。

目前效率最高，應用最廣泛的羅茨風機是三葉羅茨風機，噪聲小，效率高，操作方便，使用免維護，綜合使用性能優于二葉羅茨風機。制造精度高，高效節能處于國內領先水平。選用不銹鋼葉輪可輸送含水氯化氫、硫化氫等腐蝕性有毒氣體。三葉羅茨風機是一種雙葉輪同步壓縮機械，每個三葉型轉子用兩個軸承支承，利用一對同步齒輪，使兩個轉子的相對位置始終保持不變。屬容積式鼓風機，具有強制輸氣特征。三葉羅茨風機作為回轉式機械，具有比較穩定的工作特性，三葉羅茨風機轉子與轉子、轉子與泵體、轉子與側蓋之間都有微小間隙，因而工作腔內沒有摩擦，無接觸磨損部分；三葉羅茨風機經濟耐用，無需潤滑，使用壽命長，動力平衡性好。運轉一周有六次吸排氣過程，容積效率高。結構簡單，使用維護方便，不需要內部潤滑，輸送的介質不含油等特點。泵轉子的支承采用了可靠的消隙結構，轉動部件作細致的動平衡，并采用高精度的斜齒輪，因此，運行平穩，噪聲低，使用更加可靠，可在高壓差下長期運行。動密封部位采用了進口的專利技術，并采用進口油封，控制軸封處的跳動量小于0.01mm。

羅茨風機最大的特點是使用過程中當壓力在允許范圍內加以調節時，流量之變動甚微，壓力選擇范圍很寬，具有強制輸氣的特征。輸送時介質不含油。結構簡單、維修方便、使用壽命長、整機振動小。

這種鼓風機結構簡單，制造方便，適用于低壓力場合的氣體輸送和加壓，也可用作真空泵。由于周期性的吸、排氣和瞬時等容壓縮造成氣流速度和壓力的脈動，因而會產生較大的氣體動力噪聲。此外，轉子之間和轉子與氣缸之間的間隙會造成氣體泄漏，從而使效率降低。另外，羅茨鼓風機可以多級串聯使用。

例如環保工程上羅茨風機目前在污水處理行業中，曝氣法也是最環保，最經濟一種方式。羅茨鼓風機增氧技術有省電、緩和、改善底層水質和底質等特點，適宜蝦、蟹等甲殼類養殖。羅茨風機使用到海鮮保鮮上面和污水處理方面都是有相同的一點，就是改變了水質，讓水質在使用的時候更加適合我們的生活。這一點是不可置疑的，羅茨鼓風機的使用已經涉及到了各行各業，慢慢的走進了我們的生活。

二、羅茨風機的節能原理

羅茨鼓風機的調節方法有兩種，一種是放風的方法，這個方法簡單可靠，但不經濟。比較經濟的方法是調節轉速。現在有些立窯水泥廠為了提高羅茨風機的風壓、風量，就是把鼓風機的轉速加快。但是應該注意的是，增加轉速要考慮機械設備的機械強度，不能增加很大，一般轉速不應超過銘牌的15%，轉速增大往往還要更換較大的電機。

羅茨風機的風壓是不受風機轉速限制的，不論轉速變化如何其風壓可以保持不變。而風量則與風機轉速成正比的，即：Q=KN

Q：表示風量    N：表示風機轉速    K：為系數

從公式可知，風量調節，完全由變頻器改變電機頻率達到無級變速，起到調節風量的效果。例如：根據水泥立窯現場應用工藝風機的最低頻率為15HZ，通常工作在35HZ左右，有個別時刻50HZ滿風量運行，由于立窯工藝基本是一致的，因此在不同的立窯風量調節量是基本相同的，凡立窯應用變頻技術都可以獲40%左右的節能效果。

變頻調速在變頻范圍、動態響應、工作效率、調整精度、功率因數、輸出特性保護功能及可靠性方面，都達到了較為完美的程度。因此得到了廣泛的應用。變頻調速的原理是根據異步電動機的轉速：

N=60F（1-S）/P

式中F為電源頻率，P為極對數，S為電機的轉差率。

從上式可知改變供電頻率，即可改變電機的轉速。

羅茨鼓風機是恒轉矩負載，其節電率與轉速降成正比即N%=△N%，雖然不同于一般風機、水泵節電率更高，但因它的功率較大，而且只要爐墻不壞，是連續24小時工作的，并開動時間亦很長。因此節電潛力大，節電費用高。羅茨鼓風機進行技術改造后，改變了過去以調節出口（進口）閥門開度方式來調節風壓或風量的生產方式，勞動強度減輕，調節的及時性好，提高了產品的合格率，單耗明顯下降。

三、羅茨風機在水泥立窯的應用

我國水泥廠大多數立窯低壓配備135-350KW的羅茨風機，傳統的風量控制方法是依靠擋板風閥進行調節。由于羅茨風機的供風量是較為恒定的，而煅燒時根據窯內的情況需要隨時調節風量。當窯內需要減少風量時，是通過放風閥放走多余的風量，造成能源浪費。水泥廠立窯煅燒熟料所耗的電能中，羅茨風機的電能占60% 左右。隨著電價的調整，電費在水泥生產成本中所占的比例越來越高，因此降低鼓風機的能源消耗成為提高企業經濟效益的重要一環。根據鼓風機風量和轉速成正比關系：

Q1/Q2=N1/N2

式中：Q1、Q2為轉速快和慢的風量 米/分

鼓風機的風壓和轉速的平方成正比：

H1/H2=（N1/N2）

式中：H1、H2為轉速快和慢的風壓

鼓風機所需的功率與轉速的立方成正比：

N1/N2=（N1/N2）

式中：N1、N2為轉速快和慢所需功率KW。

從上述關系可知，如果我們使用改變轉速來實現改變風量的方法，就不至于把大量的風量白白放掉，從而節約了大量的電能，對羅茨風機可由變頻器改變風機的供電電源頻率進行無級調速來調節風量，節能效果好.

風機的傳統調節方式是調節入口或出口的擋板閥門開度，以此來調節流量和壓力。采用擋板閥門調節時，大量的能量消耗在擋板閥門的截流過程中。同時，介質對擋板閥門沖擊較大，設備損壞情況嚴重。另外，擋板閥門動作遲緩，手動時人員不易操作，而且操作不當造成風機震動。擋板閥門執行機構一般為大力矩的電動執行器，故障較多，不能適應長期頻繁調節，構成閉環自動控制較難，且動態性能不理想。此外，異步電動機在直接啟動時，啟動電流一般達到電機額定電流的5～7 倍，對電網沖擊較大，也會引起電機發熱，同時強大的沖擊轉矩對電機和風機的機械使用壽命存在很多不利的影響。目前對風機而言，最有效的節能措施是采用變頻調速來調節流量。由于風機大都為平方轉矩負載，軸功率與轉速大致成立方關系，所以當風機轉速下降時，消耗的功率大大下降。

四、風機運行特點分析及變頻改造的必要性

由風機的運行特點可知，風機的風量與轉速成正比，而風機的風壓與轉速的平方成正比，消耗的功率與轉速的三次方成正比的特點，即：Q`/Q=n`/n , H`/H=(n`/n)2，P`/P=(n`/n)3 下圖為風機風量Q與風壓H及電機轉速n與電機消耗功率P的關系曲線圖。 H ① B H3 A H2 ② C n1 H1 n2 0 Q2 Q1 Q. 由此可知，采用變頻調速降低電機轉速，大大節省了電機消耗的功率。

                           風機調速節能原理圖

變頻應用的可行性分析：根據圖示和風機的運行特點可知，如果采用對電機的轉速進行調節，風量Q1下降到Q2，電機消耗的功率大幅度降低。以下為例說明，風機的入口風門開度總在40%左右，出口風門開度為100%，由此可見風機的實際風量是其額定風量的40%左右。

由經驗公式可知： P=〔0.4+0.6Q/Qe-(Q/ Qe)3〕*Pe

上式中，△P——節約電功率   Q ——實際風量    Qe—— 額定風量    Pe——額定功率可計算出，40%的風量理論上可節約電功率△P為0.576 Pe，即理論節電率為57.6%。考慮轉速下降的同時電機和風機效率的降低等因素的影響，如果采用變頻調速來改變風機的風量，其節能效果仍然相當明顯。

一般立窯鼓風機選型余量比較大，電機約有10～30KW左右的余量。這就是說，一般用風量只有銘牌風量的70～90%，放風率高達10～30%，若對風機進行調速控制，則風機轉速需調至額定轉速的70～90%，即可滿足立窯最大用風量的要求。

五、變頻調速系統改造應用情況

原羅茨風機降壓啟動系統不變，保留原控制系統。新增加現場電位器調速和頻率表顯示變頻器運行頻率。用變頻調速器調節鼓風機風量，在使用上也達到了十分理想的效果。

1．由于省去了放風閥，進窯風量的變化由變頻調速來實現，使進窯空氣進壓及氣流速度穩定。操作更加簡單，只要轉動旋鈕就可調節頻率變速，頻率用數字顯示，因為頻率與轉速成正比關系，所以能精確地定量用風，避免了使用放風閥時引起風壓及風量巨變的弊端，從而穩定了立窯煅燒的熱工制度，為提高熟料產量質量打下基礎，也減輕了工人的勞動強度。

2．有的工廠原來放風是使用循環放風的形式，這樣雖能降低風機的噪聲，但同時由于大量的過剩風量在風機的管道內循環，因而在放風量達時經常引起風機發熱，這就極大地影響了風機的安全運轉，用變頻調速器控制風量，沒有過剩風量循環，為風機的安全運轉提供了有利的條件，由于風機經常處于減速運行，因而風機運行噪聲也得到了大幅度的降低，并提高了風機的使用壽命。

3．風機采用變頻調速可方便地從低速啟動，啟動平穩，啟動電流小，對提高生產產品質量起到了良好的作用。

可見變頻調速在水泥廠的立窯風機上的運用是成功的，達到了預期的效果，其經濟效益是顯著的，再加上良好的控制性能和改善工況后的效益，確實是企業技術改造的理想設備，得到了用戶的充分肯定。

六、節能分析

根據很多改造的廠的經驗值，風機節能一般在30%-60%之間，在此以節電率為40%計算，250KW羅茨風機，計算一年節約多少電與電費。工作電流以400A計，原工頻消耗的功率為（功率因數取0.7）：  P=1.732×380×400×0.7=185KW ，節電功率為： 185KW×40%=74KW 。該電機每年按350天計算，每天運行24小時，每年節約的電能： 74×24×350＝621600度。每度電按0.5元，則該臺電機每年可節約電費：  621600度×0.5元=31.08萬元。

七、結束語

     使用變頻器后節約的電費相當可觀，取得了顯著的節電效果，投資回報率很高。采用變頻調速還具有以下優點：提高電動機功率因數并可增加企業的裝機容量。變頻調速后，啟動電流下降到額定電流的1.2倍，大大改善電機的啟動性能，避免大電流對電機和電網的沖擊。電機轉速可調后，電機軸承等處機械磨損減少，降低了設備的維修費用和維修的勞動強度，延長設備的使用壽命。同時變頻器對電機具有全方位的保護功能：低電壓、過電壓、過電流、過負載、過熱、防止電機失速等。降低了環境噪音，改善了工人的操作條件。獲得了良好的綜合效益，深得各方面的好評。目前變頻技術應用于羅茨風機系統中已經相當成熟，已有許多成熟的使用范例。綜上所述可知，羅茨風機采用變頻技術是可行的。具有很高的推廣應用價值。