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    泵類
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    變頻器調(diào)速在礦山節(jié)能中的應用

    變頻器調(diào)速在礦山節(jié)能中的應用

    1 引言
      通風、排水、壓氣、提升是地下礦山著名的4大件,也是礦山設備中的耗能大戶。目前,礦山企業(yè)所使用的水泵及風機均為交流拖動,且大多都采用通過改變出口閥門的開啟度來調(diào)節(jié)流量和風量,能量損失很大。為了節(jié)約電能,可采用變頻調(diào)速裝置,通過調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速來控制流量和風量。
    2 水泵、風機變速運行與節(jié)能的關系
      現(xiàn)以離心水泵為例,說明變速運行與節(jié)能的關系。
      離心水泵在礦山應用較為廣泛,其輸出特性既決定于水泵的種類,也隨供水管網(wǎng)的阻力特性曲線不同而異。一般說來,當一臺水泵在一定轉(zhuǎn)速下輸送一定流量時,必然會有同此流量相對應的揚程、功率和效率。當調(diào)節(jié)水泵出口處調(diào)節(jié)閥的開啟度時,這些數(shù)值亦相應地改變,離心水泵的性能曲線就是表示在一定的轉(zhuǎn)速下,不同的流量與其相對應的揚程、功率、效率之間的相互關系,如圖 1所示。圖1中,曲線①為流量-揚程曲線;曲線②為流量-功率曲線;曲線③為流量效率曲線。
      離心泵的特性曲線公式如下:
     ?。?)
      式中: P—泵的軸功率(kw)
      H—揚程高度(m)
      Q—泵的流量(m3)
      γ—液體的比重(kg/m3)
      η—泵的效率
      
      圖1 離心泵的特性曲線
      由圖1可見,對水泵而言,只有在原設計的工況點A處工作時,效率才為最高點。偏離這個工況點,效率有所下降。因此,水泵只有在高效區(qū)域(B-C之間)運行時,耗能才會降低。
      根據(jù)以上分析,按照排水系統(tǒng)的實際流量Q2和揚程H2及與之相適應的使用效率η0,可計算出泵所需要的比較合理的軸功率P0:
     ?。?)
      這樣,整個排水系統(tǒng)節(jié)能潛力為:
      W=(P-P0)t (3)
      式中: P—整個系統(tǒng)泵消耗的總軸功率(kw)
      t—水泵年運行時間(小時/年)
      由流體力學及閘閥不同開啟度所測得的數(shù)據(jù),可求得管網(wǎng)裝置特性為:
      H2=KQ+Hj (4)
      式中: Hj—水泵進、出口水位的高差(m)
      H2—水泵揚程高度(m)
      Q—流過管網(wǎng)的流量(m3/s)
      K—管路阻力系數(shù)
      管網(wǎng)的特性曲線如圖2所示。其中曲線①為泵在全速(100%ηe)運行時的Q-H曲線;曲線②為管網(wǎng)系統(tǒng)閥門全開啟時的阻力特性曲線;曲線③為靜壓高度;曲線④為關小閥門后的阻力特性曲線;曲線⑤為降低速度后(80%ηe)泵的Q-H曲線。
      
      圖2 管網(wǎng)性曲線
      由圖2可見,觀望特性曲線與泵的特性曲線的交點即為泵的正常使用工況點。二者怎樣匹配才能有效地節(jié)約電能呢?下面以圖3為例說明這個問題。
      圖3中,水泵運行工況點D是泵的特性曲線ηe與管路阻力曲線R1的焦點。用閥門控制時,減少流量需要關小閥門,使閥門的摩擦阻力變大,阻力曲線從R1移到R1‘,揚程則從H0升到H1,流量從QN減少到Q1,運行工況點從D點移到A點。
      
      圖3 水泵調(diào)速時的特性
      用調(diào)速控制時,阻力曲線R1不變,泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果把轉(zhuǎn)速從ne降到n1,特性曲線也從ne移至n1,這時,運行工況點從D點移到C點,揚程從H0下降到 H3,流量從QN減少到Q1。
      根據(jù)公式(1)以求得:
      A點泵的軸功率
      C點泵的軸功率
      兩者之差為:
      (5)
      由此可見,用閥門控制流量時,比用速度控制多浪費的功率為ΔP,并且隨著閥門不斷地關小,ΔP也不斷地增加。
      用轉(zhuǎn)速控制時,由流體力學原理知道,流量Q同轉(zhuǎn)速的一次方成正比,而軸功率P同轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此,采用調(diào)速控制方式控制流量,在節(jié)能方面的效果是十分明顯的。
      以上的分析過程和結(jié)論,對風機也是適用的。
    3 風機、水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)
      對風機進行技術改造時,為避免工程質(zhì)量和一次性投資過大,可采用如圖4所示的方案。
      其特點如下:
     ?。?) 采用速度開關控制方式,能夠滿足礦山對風機、水泵轉(zhuǎn)速精度的要求。
     ?。?)保留原供電線路,旁路并入變頻器。正常情況下投入變頻器運行,人工控制其輸出頻率,達到變頻調(diào)速的目的。若變頻器發(fā)生故障,可通過原供電線路(ZK3、C2、ZK4)繼續(xù)給設備供電,使設備不間斷運行。
      由于變頻器的工作原理已被大家熟悉,在此不在獒述。實際應用中,可選用日本SANKEN公司生產(chǎn)的MF系列變頻裝置,該產(chǎn)品為16位微機控制的SPWM調(diào)制型GTR變頻調(diào)速系統(tǒng),采用先進的電壓矢量控制方式,可實現(xiàn)超精細、高精度的全數(shù)字式變頻控制。同時,由于該裝置保護功能齊全,保證了系統(tǒng)可靠運行。
      
      圖4 系統(tǒng)主電路圖
    4 結(jié)束語
      變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦山節(jié)能中具有廣闊的發(fā)展前景,盡管技術改造時一次性投資可能偏高,但從長遠觀點看,它所產(chǎn)生的效益和創(chuàng)造的價值是巨大的,值得大力推廣應用。?
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