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變頻器調速在礦山節能中的應用

變頻器調速在礦山節能中的應用

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節流量和風量,能量損失很大。為了節約電能,可采用變頻調速裝置,通過調節電動機轉速來控制流量和風量。
2 水泵、風機變速運行與節能的關系
  現以離心水泵為例,說明變速運行與節能的關系。
  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,也隨供水管網的阻力特性曲線不同而異。一般說來,當一臺水泵在一定轉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。當調節水泵出口處調節閥的開啟度時,這些數值亦相應地改變,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:
  (1)
  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,水泵只有在高效區域(B-C之間)運行時,耗能才會降低。
  根據以上分析,按照排水系統的實際流量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:
  (2)
  這樣,整個排水系統節能潛力為:
  W=(P-P0)t (3)
  式中: P—整個系統泵消耗的總軸功率(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據,可求得管網裝置特性為:
  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—流過管網的流量(m3/s)
  K—管路阻力系數
  管網的特性曲線如圖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為管網系統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 水泵調速時的特性
  用調速控制時,阻力曲線R1不變,泵的特性取決于轉速。如果把轉速從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。
  用轉速控制時,由流體力學原理知道,流量Q同轉速的一次方成正比,而軸功率P同轉速的三次方成正比。因此,采用調速控制方式控制流量,在節能方面的效果是十分明顯的。
  以上的分析過程和結論,對風機也是適用的。
3 風機、水泵變頻調速系統
  對風機進行技術改造時,為避免工程質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:
  (1) 采用速度開關控制方式,能夠滿足礦山對風機、水泵轉速精度的要求。
  (2)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,達到變頻調速的目的。若變頻器發生故障,可通過原供電線路(ZK3、C2、ZK4)繼續給設備供電,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公司生產的MF系列變頻裝置,該產品為16位微機控制的SPWM調制型GTR變頻調速系統,采用先進的電壓矢量控制方式,可實現超精細、高精度的全數字式變頻控制。同時,由于該裝置保護功能齊全,保證了系統可靠運行。
  
  圖4 系統主電路圖
4 結束語
  變頻調速系統在礦山節能中具有廣闊的發展前景,盡管技術改造時一次性投資可能偏高,但從長遠觀點看,它所產生的效益和創造的價值是巨大的,值得大力推廣應用。?
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