富凌变频器在罗茨风机上的节能应用

富凌变频器在罗茨风机上的节能应用

一、概述

罗茨风机为容积式风机，输送的风量与转数成比例，叶轮端面和风机前后端盖之间及风机叶轮之间者始终保持微小的间隙，在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出的一侧。风机内腔不需要润滑油，高效节能，精度高，寿命长，结构紧凑，体积小，重量轻，使用方便，产品用途广泛。罗茨鼓风机输送介质为清洁空气，清洁煤气，二氧化硫及其他隋性气体，特殊气体行业如煤气、氢气、天然气、沼气、乙炔、二氧化碳、二氧化硫等易燃、易爆及腐蚀性气体及高压工况的首选产品。鉴于具有上述特点，因而能广泛适应石化、建材、电力、冶金、矿山、港口、化工、仪器、轻纺、食品、造纸、水产养殖、真空包装、和污水处理、环保产业等诸多行业领域。

目前效率最高，应用最广泛的罗茨风机是三叶罗茨风机，噪声小，效率高，操作方便，使用免维护，综合使用性能优于二叶罗茨风机。制造精度高，高效节能处于国内领先水平。选用不锈钢叶轮可输送含水氯化氢、硫化氢等腐蚀性有毒气体。三叶罗茨风机是一种双叶轮同步压缩机械，每个三叶型转子用两个轴承支承，利用一对同步齿轮，使两个转子的相对位置始终保持不变。属容积式鼓风机，具有强制输气特征。三叶罗茨风机作为回转式机械，具有比较稳定的工作特性，三叶罗茨风机转子与转子、转子与泵体、转子与侧盖之间都有微小间隙，因而工作腔内没有摩擦，无接触磨损部分；三叶罗茨风机经济耐用，无需润滑，使用寿命长，动力平衡性好。运转一周有六次吸排气过程，容积效率高。结构简单，使用维护方便，不需要内部润滑，输送的介质不含油等特点。泵转子的支承采用了可靠的消隙结构，转动部件作细致的动平衡，并采用高精度的斜齿轮，因此，运行平稳，噪声低，使用更加可靠，可在高压差下长期运行。动密封部位采用了进口的专利技术，并采用进口油封，控制轴封处的跳动量小于0.01mm。

罗茨风机最大的特点是使用过程中当压力在允许范围内加以调节时，流量之变动甚微，压力选择范围很宽，具有强制输气的特征。输送时介质不含油。结构简单、维修方便、使用寿命长、整机振动小。

这种鼓风机结构简单，制造方便，适用于低压力场合的气体输送和加压，也可用作真空泵。由于周期性的吸、排气和瞬时等容压缩造成气流速度和压力的脉动，因而会产生较大的气体动力噪声。此外，转子之间和转子与气缸之间的间隙会造成气体泄漏，从而使效率降低。另外，罗茨鼓风机可以多级串联使用。

例如环保工程上罗茨风机目前在污水处理行业中，曝气法也是最环保，最经济一种方式。罗茨鼓风机增氧技术有省电、缓和、改善底层水质和底质等特点，适宜虾、蟹等甲壳类养殖。罗茨风机使用到海鲜保鲜上面和污水处理方面都是有相同的一点，就是改变了水质，让水质在使用的时候更加适合我们的生活。这一点是不可置疑的，罗茨鼓风机的使用已经涉及到了各行各业，慢慢的走进了我们的生活。

二、罗茨风机的节能原理

罗茨鼓风机的调节方法有两种，一种是放风的方法，这个方法简单可靠，但不经济。比较经济的方法是调节转速。现在有些立窑水泥厂为了提高罗茨风机的风压、风量，就是把鼓风机的转速加快。但是应该注意的是，增加转速要考虑机械设备的机械强度，不能增加很大，一般转速不应超过铭牌的15%，转速增大往往还要更换较大的电机。

罗茨风机的风压是不受风机转速限制的，不论转速变化如何其风压可以保持不变。而风量则与风机转速成正比的，即：Q=KN

Q：表示风量    N：表示风机转速    K：为系数

从公式可知，风量调节，完全由变频器改变电机频率达到无级变速，起到调节风量的效果。例如：根据水泥立窑现场应用工艺风机的最低频率为15HZ，通常工作在35HZ左右，有个别时刻50HZ满风量运行，由于立窑工艺基本是一致的，因此在不同的立窑风量调节量是基本相同的，凡立窑应用变频技术都可以获40%左右的节能效果。

变频调速在变频范围、动态响应、工作效率、调整精度、功率因数、输出特性保护功能及可靠性方面，都达到了较为完美的程度。因此得到了广泛的应用。变频调速的原理是根据异步电动机的转速：

N=60F（1-S）/P

式中F为电源频率，P为极对数，S为电机的转差率。

从上式可知改变供电频率，即可改变电机的转速。

罗茨鼓风机是恒转矩负载，其节电率与转速降成正比即N%=△N%，虽然不同于一般风机、水泵节电率更高，但因它的功率较大，而且只要炉墙不坏，是连续24小时工作的，并开动时间亦很长。因此节电潜力大，节电费用高。罗茨鼓风机进行技术改造后，改变了过去以调节出口（进口）阀门开度方式来调节风压或风量的生产方式，劳动强度减轻，调节的及时性好，提高了产品的合格率，单耗明显下降。

三、罗茨风机在水泥立窑的应用

我国水泥厂大多数立窑低压配备135-350KW的罗茨风机，传统的风量控制方法是依靠挡板风阀进行调节。由于罗茨风机的供风量是较为恒定的，而煅烧时根据窑内的情况需要随时调节风量。当窑内需要减少风量时，是通过放风阀放走多余的风量，造成能源浪费。水泥厂立窑煅烧熟料所耗的电能中，罗茨风机的电能占60% 左右。随着电价的调整，电费在水泥生产成本中所占的比例越来越高，因此降低鼓风机的能源消耗成为提高企业经济效益的重要一环。根据鼓风机风量和转速成正比关系：

Q1/Q2=N1/N2

式中：Q1、Q2为转速快和慢的风量 米/分

鼓风机的风压和转速的平方成正比：

H1/H2=（N1/N2）

式中：H1、H2为转速快和慢的风压

鼓风机所需的功率与转速的立方成正比：

N1/N2=（N1/N2）

式中：N1、N2为转速快和慢所需功率KW。

从上述关系可知，如果我们使用改变转速来实现改变风量的方法，就不至于把大量的风量白白放掉，从而节约了大量的电能，对罗茨风机可由变频器改变风机的供电电源频率进行无级调速来调节风量，节能效果好.

风机的传统调节方式是调节入口或出口的挡板阀门开度，以此来调节流量和压力。采用挡板阀门调节时，大量的能量消耗在挡板阀门的截流过程中。同时，介质对挡板阀门冲击较大，设备损坏情况严重。另外，挡板阀门动作迟缓，手动时人员不易操作，而且操作不当造成风机震动。挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想。此外，异步电动机在直接启动时，启动电流一般达到电机额定电流的5～7 倍，对电网冲击较大，也会引起电机发热，同时强大的冲击转矩对电机和风机的机械使用寿命存在很多不利的影响。目前对风机而言，最有效的节能措施是采用变频调速来调节流量。由于风机大都为平方转矩负载，轴功率与转速大致成立方关系，所以当风机转速下降时，消耗的功率大大下降。

四、风机运行特点分析及变频改造的必要性

由风机的运行特点可知，风机的风量与转速成正比，而风机的风压与转速的平方成正比，消耗的功率与转速的三次方成正比的特点，即：Q`/Q=n`/n , H`/H=(n`/n)2，P`/P=(n`/n)3 下图为风机风量Q与风压H及电机转速n与电机消耗功率P的关系曲线图。 H ① B H3 A H2 ② C n1 H1 n2 0 Q2 Q1 Q. 由此可知，采用变频调速降低电机转速，大大节省了电机消耗的功率。

                           风机调速节能原理图

变频应用的可行性分析：根据图示和风机的运行特点可知，如果采用对电机的转速进行调节，风量Q1下降到Q2，电机消耗的功率大幅度降低。以下为例说明，风机的入口风门开度总在40%左右，出口风门开度为100%，由此可见风机的实际风量是其额定风量的40%左右。

由经验公式可知： P=〔0.4+0.6Q/Qe-(Q/ Qe)3〕*Pe

上式中，△P——节约电功率   Q ——实际风量    Qe—— 额定风量    Pe——额定功率可计算出，40%的风量理论上可节约电功率△P为0.576 Pe，即理论节电率为57.6%。考虑转速下降的同时电机和风机效率的降低等因素的影响，如果采用变频调速来改变风机的风量，其节能效果仍然相当明显。

一般立窑鼓风机选型余量比较大，电机约有10～30KW左右的余量。这就是说，一般用风量只有铭牌风量的70～90%，放风率高达10～30%，若对风机进行调速控制，则风机转速需调至额定转速的70～90%，即可满足立窑最大用风量的要求。

五、变频调速系统改造应用情况

原罗茨风机降压启动系统不变，保留原控制系统。新增加现场电位器调速和频率表显示变频器运行频率。用变频调速器调节鼓风机风量，在使用上也达到了十分理想的效果。

1．由于省去了放风阀，进窑风量的变化由变频调速来实现，使进窑空气进压及气流速度稳定。操作更加简单，只要转动旋钮就可调节频率变速，频率用数字显示，因为频率与转速成正比关系，所以能精确地定量用风，避免了使用放风阀时引起风压及风量巨变的弊端，从而稳定了立窑煅烧的热工制度，为提高熟料产量质量打下基础，也减轻了工人的劳动强度。

2．有的工厂原来放风是使用循环放风的形式，这样虽能降低风机的噪声，但同时由于大量的过剩风量在风机的管道内循环，因而在放风量达时经常引起风机发热，这就极大地影响了风机的安全运转，用变频调速器控制风量，没有过剩风量循环，为风机的安全运转提供了有利的条件，由于风机经常处于减速运行，因而风机运行噪声也得到了大幅度的降低，并提高了风机的使用寿命。

3．风机采用变频调速可方便地从低速启动，启动平稳，启动电流小，对提高生产产品质量起到了良好的作用。

可见变频调速在水泥厂的立窑风机上的运用是成功的，达到了预期的效果，其经济效益是显著的，再加上良好的控制性能和改善工况后的效益，确实是企业技术改造的理想设备，得到了用户的充分肯定。

六、节能分析

根据很多改造的厂的经验值，风机节能一般在30%-60%之间，在此以节电率为40%计算，250KW罗茨风机，计算一年节约多少电与电费。工作电流以400A计，原工频消耗的功率为（功率因数取0.7）：  P=1.732×380×400×0.7=185KW ，节电功率为： 185KW×40%=74KW 。该电机每年按350天计算，每天运行24小时，每年节约的电能： 74×24×350＝621600度。每度电按0.5元，则该台电机每年可节约电费：  621600度×0.5元=31.08万元。

七、结束语

     使用变频器后节约的电费相当可观，取得了显著的节电效果，投资回报率很高。采用变频调速还具有以下优点：提高电动机功率因数并可增加企业的装机容量。变频调速后，启动电流下降到额定电流的1.2倍，大大改善电机的启动性能，避免大电流对电机和电网的冲击。电机转速可调后，电机轴承等处机械磨损减少，降低了设备的维修费用和维修的劳动强度，延长设备的使用寿命。同时变频器对电机具有全方位的保护功能：低电压、过电压、过电流、过负载、过热、防止电机失速等。降低了环境噪音，改善了工人的操作条件。获得了良好的综合效益，深得各方面的好评。目前变频技术应用于罗茨风机系统中已经相当成熟，已有许多成熟的使用范例。综上所述可知，罗茨风机采用变频技术是可行的。具有很高的推广应用价值。