說到風(fēng)機(jī)和水泵的節(jié)能技術(shù)改造，人們會想到采用變頻器（以下簡稱-VFD）的變頻調(diào)速技術(shù)。但是，當(dāng)設(shè)備的工況比較穩(wěn)定時，是否有必要采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能技術(shù)改造，答案是否定的，下面是一個這樣的例子。
設(shè)備概述
某地公司的污水處理站有四臺羅茨鼓風(fēng)機(jī)，具體參數(shù)如下:
羅茨鼓風(fēng)機(jī)型號:3l 22 WG；；額定轉(zhuǎn)速:2000轉(zhuǎn)/分鐘；供氣量:5.5m 3/min；；配Y132M-4，1500r/min，7.5kw三相380v鼠籠式異步電動機(jī)，V帶傳動，額定電流15.4A
注:由于電機(jī)銘牌上沒有標(biāo)明cos￠和η的值，所以習(xí)慣上取COS ￠ = 0.85和η = 0.85。
這四臺羅茨風(fēng)機(jī)分為兩組，一臺備用，一臺使用，可以常年連續(xù)運(yùn)行(即兩臺羅茨風(fēng)機(jī)常年連續(xù)運(yùn)行)。它們分別向兩組容積為120噸的分解槽中的好氧菌供氣，目前工作電流為AC395v和13A(實測)。由于公司生產(chǎn)設(shè)施未取得GMP認(rèn)證，未充分開發(fā)，污水處理能力明顯不足。
從以上實測運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出，一方面，設(shè)備處于穩(wěn)定的輕負(fù)荷狀態(tài)；另一方面，由于污水量不足，很有可能在分解池內(nèi)的爆炸容積處出現(xiàn)過量供氣(雖然過量供氣對好氧菌無害，但白白耗電)。因此，經(jīng)公司批準(zhǔn)，我們開始進(jìn)行節(jié)能改造。在方案制定階段，要求質(zhì)檢部門詳細(xì)計算污水站污水處理過程中的耗氧量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時未投產(chǎn)時污水池氣爆僅為0.3m3/min(最小值)，投產(chǎn)后污水池氣爆為3.7 m3/min，遠(yuǎn)小于5.5m3/min。可以看出，目前定值為5.5m3/min的供氣設(shè)備可以大大減少當(dāng)時公司污水分解池的爆炸氣體供應(yīng)量。因此，通過適當(dāng)?shù)刂匦屡渲眯∮?.5 m3/min的供氣設(shè)備，可以有效地降低功耗。一方面，當(dāng)時一臺羅茨泵的價格在18000元左右；另一方面，投產(chǎn)后污水池的吹脹量也接近5.5 m3/min(要有一定的過剩供應(yīng)能力，以保證好氧菌的活性)。因此，決定保留該設(shè)備，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑臁?
節(jié)能潛力
首先，在此需求的前提下，根據(jù)GB12497《三相異步電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實施監(jiān)督指南的要求，對電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行功率值進(jìn)行配置和校核，其計算如下:
當(dāng)送風(fēng)量最大和最小時，送風(fēng)設(shè)備所需軸功率為:
最短時間；PL = [0.45+0.55( )2]Pe (3.2-1)
=[0.45+0.55( )2 ]*7.5
≈3.4千瓦
當(dāng)安全系數(shù)為1.2時，爆炸泵的實際功率為:
3.4 * 1.2≈4.1千瓦.(3.2-2)
最長時間；PL =[0.45+0.55( )2]Pe
=[0.45+0.55( )2 ]*7.5
= 5.24千瓦
當(dāng)安全系數(shù)為1.2時，爆炸泵的實際功率為:
5.24 * 1.2 = 6.3千瓦.(3.2-3)
式中:PL——電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行功率(kW)；
PE——原電機(jī)功率(kW)；
q——風(fēng)機(jī)的實際流量(m3/min)；
QN——風(fēng)機(jī)的額定流量(m3/min)；
0.45/0.55-運(yùn)行系數(shù)；
實際可實現(xiàn)的節(jié)能能力是:
從電機(jī)功率公式(軸功率)p= UICos￠得到P/= UICos ￠, UICos￠是電能提供的有功功率，據(jù)此可以計算出電機(jī)的電能消耗如下:
最短時間:W= t
=( )*1
=4.8(千瓦時)(3.2 -4)
最大時間:W= t
=( )*1
=7.4(千瓦時)(3.2-5)
改造前的電力消耗如下:
P= UICos:
= *395*13*0.85*0.85
= 6.4千瓦
也就是6.4*1.2≈7.5kw (3.2-6)
W= t
=( )*1(暫不計入備用余量)
=7.5(千瓦時)(3.2-7)
其中:t-time(小時)；
η-電機(jī)效率(0.85)；
w——電能(千瓦時)；
p-電機(jī)軸的輸出功率；
這個計算至少說明了三個問題:一是說明廠家對供氣設(shè)備的功率配置基本合理，但配套設(shè)備對于目前的工藝條件來說過大，使得設(shè)備負(fù)荷偏輕；第二，從這里證明原來爆炸系統(tǒng)設(shè)備不需要更換(替換)的結(jié)論是正確的。事實上，無論現(xiàn)在還是未來，滿負(fù)荷生產(chǎn)后的污水處理能力都在最大限度之內(nèi)。第三，在其改造中確實有節(jié)電的潛力。當(dāng)兩臺供氣設(shè)備年運(yùn)行小時數(shù)為兩臺*24小時*365天時，用電量應(yīng)該是可觀的，效益就不用說了。
該羅茨鼓風(fēng)機(jī)的最大年節(jié)電能力為:
W=2*(7.5-4.8)*24*365= 47304kwh(3.2-8)
以當(dāng)時公司綜合電價0.87元/千瓦時計算，每年節(jié)約47304 * 0.87 = 41154元/年。
當(dāng)然，為了使爆炸系統(tǒng)有更廣泛的應(yīng)用范圍，避免供氣不足或頻繁修改，工作點不能設(shè)定在最小處理能力，因此實際節(jié)電會小于上述計算值。
實施計劃
變頻調(diào)速控制
方法是在現(xiàn)有設(shè)備上增加VFD，可以使電機(jī)實現(xiàn)隨羅茨鼓風(fēng)機(jī)負(fù)載變化的功率輸出，增加流量變送器后實現(xiàn)精確跟蹤，適用范圍廣。國內(nèi)外有很多成功的例子可供參考。改造前幾乎不需要測試，技術(shù)改造成功率高，節(jié)電效果也最理想。但改裝維護(hù)復(fù)雜，改裝技術(shù)要求高，改裝資金最多。購買7.5kw四臺VFD約13000元(國產(chǎn))，整個技改費(fèi)用約20000元(含人工費(fèi))。資金投入大，回收周長(大概需要一年時間回收技改成本)。
將電機(jī)改為△啟動和Y運(yùn)行的特殊運(yùn)行模式。
(1)、適用于速度選擇和計算:
從羅茨風(fēng)機(jī)的工作原理和爆炸需求的介紹可以看出，該泵的出口流量可以大大降低，并且該泵的出口流量與其轉(zhuǎn)速、泵輸入軸的功率和單位排氣量成正比，是一種容積式空氣泵。因此，從上述數(shù)據(jù)可以推斷出，風(fēng)機(jī)每轉(zhuǎn)的送風(fēng)量為:
考慮到公司投產(chǎn)后的需求，取最大爆炸性氣體量，儲備20%；
羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)為:
(2)檢查羅茨風(fēng)機(jī)的軸輸入功率；
將電機(jī)改為△啟動，Y運(yùn)行后，從△/Y降壓啟動方式的原理可知，電機(jī)功率也會下降很多，是否適合羅茨風(fēng)機(jī)1614r/min時的運(yùn)行要求？
對于配套電機(jī)，雖然△啟動Y運(yùn)行后其軸的輸出功率小了很多，但其鐵芯提供的電磁功率可以達(dá)到7.5kw，也就是說我們可以把電機(jī)放在需要的功率點，前提是電機(jī)的相電流不大于8.8A，如果可行，電機(jī)運(yùn)行方式不再是標(biāo)準(zhǔn)的△啟動Y運(yùn)行方式，而是△啟動Y降壓調(diào)速運(yùn)行方式(如圖2)；所以它的運(yùn)行速度會略低于1480r/min。即當(dāng)電機(jī)運(yùn)行方式改為△啟動，Y運(yùn)行為特殊運(yùn)行方式時，其軸輸出功率應(yīng)能滿足Y接線方式下的要求，相電流不大于8.8A，轉(zhuǎn)速滿足羅茨鼓風(fēng)機(jī)1614r/min的要求且穩(wěn)定，繞組不過熱等。，否則無法正常運(yùn)行。
計算羅茨鼓風(fēng)機(jī)軸功率需求的相應(yīng)公式如下:
N = δ Pq/12240η η =(保持D2L/12240ηη)⊿Pn (3.2-11)
在這個公式(3.2-11)中，[(兀D2L/12240η η) η p]是這個泵型的制造常數(shù)，大約是一個不變量(η p會因轉(zhuǎn)速的變化而略有不同)，所以變量只有N和N，所以這里[(兀D2L/12244)
N = g n(3.2-12)
因此，可用:
修改前后的關(guān)系可以表示為:g=N7.5/ n 7.5。
G=N變化/n變化
比較兩個公式:n變化=N7.5 n變化/n 7.5
替代值:(3.2-13)
一般情況下，牽引電機(jī)的額定功率應(yīng)大于機(jī)械負(fù)載所需的功率加上安全系數(shù)。因此，如上所述，技術(shù)改造后配套電機(jī)的功率如下:
6.05千瓦* 1.2 = 7.26千瓦(3.2-14)式中:n 7.5——羅茨風(fēng)機(jī)所需的當(dāng)前輸入軸功率(7.5 kW)；當(dāng)轉(zhuǎn)速從N變?yōu)镹時，羅茨風(fēng)機(jī)所需的輸入軸功率(kW );7.5-當(dāng)前泵軸轉(zhuǎn)速(2000轉(zhuǎn)/分)；
N change變化時泵軸所需的轉(zhuǎn)速(r/min)kw；
G -泵型制造常數(shù)；[d2l/12240μ)⊿p]= g；
δP-羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)/出口壓差；
q-泵廢氣流量；
η-分別為容積和機(jī)械傳動效率；
電機(jī)的安全系數(shù)為1.2；
羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速只有1614轉(zhuǎn)/分。因為帶傳動，在選擇合適的傳動比(< 1480 r/min)后仍可使用，但電機(jī)繞組會過載(在13A測得)，所以不能使用。好在這個標(biāo)定量是在最大污水處理量，電機(jī)可以恢復(fù)原來的運(yùn)行模式，所以原來的電機(jī)還是可以用的。同理，我們可以計算出最小排污量的相關(guān)量。
實際修改
因此，電機(jī)繞組Y接線方式相電流為8.9A A時對應(yīng)的VFD羅茨風(fēng)機(jī)實測轉(zhuǎn)速，基于水箱內(nèi)實際送風(fēng)效果，考慮羅茨風(fēng)機(jī)低速時內(nèi)部間隙的流量損失，確定羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200r/min。改造后測得電機(jī)電流為8.7A，接近繞組額定電流，所以Cos￠(實測值為0.89)也與改造前相當(dāng)。從而將7.5kw的三角形接法電機(jī)成功改造為Y型接法電機(jī)，大大降低了電機(jī)的功率，達(dá)到了省電的目的。
這里要補(bǔ)充一點，電機(jī)轉(zhuǎn)速并沒有下降太多，所以它的散熱不是問題。
由于篇幅原因，前面已經(jīng)定性分析了實際節(jié)能情況，這里就省略數(shù)據(jù)了。
技術(shù)改造工程于去年3月完成，耗時10天。整個裝修只花了2000多塊錢(才500多塊)，是VFD的十分之一?，F(xiàn)在已經(jīng)投產(chǎn)四年半了，當(dāng)初確定的排氣量，到今天生產(chǎn)基本正常后，仍能合格用于污水處理所需的供氣。就維修而言，不增加工作量和成本，而是節(jié)省了四套軸承(每臺機(jī)器一套)，即一套由兩年左右改為四年半不用更換。
摘要
這個例子說明，節(jié)能的不僅僅是變頻調(diào)速。如果采用變頻調(diào)速，可以節(jié)約能源。但由于設(shè)備工況相對穩(wěn)定，連續(xù)運(yùn)行多年，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性會大打折扣。因此，在確定設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造方案時，要充分了解和分析設(shè)備當(dāng)前的實時運(yùn)行狀態(tài)，盡量選擇經(jīng)濟(jì)、簡單、有效的方案，并留有一定的變動余地，避免效果不佳或頻繁變動。
