變頻器提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能效的方法

如果氣流的調(diào)節(jié)或限制經(jīng)常超過(guò)設(shè)計(jì)流量的20%，那么依賴定速電機(jī)和風(fēng)門的風(fēng)扇會(huì)浪費(fèi)能量。在這種情況下，變頻器可能會(huì)提供更節(jié)能的選擇。關(guān)鍵問(wèn)題是何時(shí)采用機(jī)械方法進(jìn)行氣流調(diào)節(jié)，何時(shí)采用變頻器。機(jī)械方法通常會(huì)產(chǎn)生較低的前期資本成本，但根據(jù)應(yīng)用的不同，在考慮長(zhǎng)期能源使用時(shí)，變頻器可能會(huì)更具成本效益。因此，讓我們研究如何確定哪個(gè)選項(xiàng)對(duì)應(yīng)用程序最有效。

變頻器無(wú)需風(fēng)門或其他機(jī)械控制即可減少氣流。它們?cè)试S操作員調(diào)整電機(jī)的電力頻率，從而減慢或加速風(fēng)扇。變頻器可降低流速降低時(shí)的流動(dòng)噪聲和設(shè)備壓力。它們通常是理想的解決方案，前提是您可以證明初始資本支出的合理性。

變頻器可以集成到原始風(fēng)扇設(shè)計(jì)中，也可以改裝到現(xiàn)有風(fēng)扇中。然而，改造可能需要對(duì)風(fēng)扇或電機(jī)與風(fēng)扇之間的聯(lián)軸器進(jìn)行重要調(diào)整。

當(dāng)應(yīng)用要求靜壓和風(fēng)量輸出低于其設(shè)計(jì)工作點(diǎn)時(shí)，氣流調(diào)節(jié)問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)。從歷史上看，阻尼器是這種情況下的解決方案。阻尼器與定速電機(jī)變頻器一起使用。正如我將要描述的，存在幾種類型的入口和出口阻尼器。其中一些選項(xiàng)對(duì)于需要最小氣流限制的應(yīng)用仍然可行。然而，在使用阻尼器之前，工廠經(jīng)理需要仔細(xì)考慮與能源消耗相關(guān)的問(wèn)題；隨著時(shí)間的推移，對(duì)風(fēng)扇和風(fēng)扇設(shè)備的壓力；以及必須限制氣流的頻率、程度和精確度。

進(jìn)氣阻尼器

進(jìn)氣風(fēng)門控制廣泛用于提高空氣流動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。大多數(shù)入口風(fēng)門在與離心風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn)相同的角度方向上預(yù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入的空氣。這種定向空氣運(yùn)動(dòng)減少了風(fēng)扇壓力和氣流的功耗，從而減少了運(yùn)行風(fēng)扇所需的能量。

風(fēng)扇葉輪入口上游的多個(gè)葉片為其提供受控的空氣呈現(xiàn)，從而能夠在廣泛的操作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制。進(jìn)氣風(fēng)門為每個(gè)風(fēng)門位置創(chuàng)建一個(gè)新的風(fēng)扇性能曲線，隨著氣流速率的降低而降低效率（圖1）。

入口風(fēng)門的兩種主要類型是百葉窗式和徑向式。

百葉窗式進(jìn)氣風(fēng)門通常具有平行葉片，在臟空氣流中工作良好。它們也可用于對(duì)置刀片-但不推薦這種配置，因?yàn)樗粫?huì)預(yù)旋轉(zhuǎn)空氣。

徑向進(jìn)氣風(fēng)門由于能夠更有效地預(yù)旋轉(zhuǎn)空氣，通常比百葉窗式風(fēng)門更有效。

其他類型的進(jìn)氣阻尼器包括：渦流阻尼器，它需要進(jìn)氣箱，可用于懸臂葉片和中心輪轂設(shè)計(jì)；和可變進(jìn)氣葉片，需要錐形進(jìn)氣件并且僅用于清潔空氣流。兩者都擁有與徑向入口阻尼器相當(dāng)?shù)男省?/p>

如果不經(jīng)常使用空氣流動(dòng)系統(tǒng)，則入口風(fēng)門可能會(huì)在氣流調(diào)節(jié)裝置的初始成本/潛在節(jié)能比較中名列前茅。它們?cè)谙拗茪饬餍∮?0%時(shí)特別有效。

當(dāng)阻尼器嚴(yán)重限制氣流時(shí)，需要謹(jǐn)慎。將氣流限制多達(dá)70%可能會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)不穩(wěn)定或旋轉(zhuǎn)失速，即空氣不足導(dǎo)致高振幅壓力脈沖。以最近一家鋼廠運(yùn)行的焦?fàn)t電池洗滌器風(fēng)機(jī)為例，進(jìn)口風(fēng)門關(guān)閉90%。風(fēng)機(jī)專業(yè)人員記錄了風(fēng)機(jī)外殼的劇烈振動(dòng)和破裂。振動(dòng)、壓力脈動(dòng)和頻率的測(cè)量證實(shí)了旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)。安裝變頻器后，磨機(jī)可以讓風(fēng)門完全打開，并通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度來(lái)調(diào)節(jié)氣流。然后風(fēng)扇在所有工藝流速下平穩(wěn)運(yùn)行。該工廠每年實(shí)現(xiàn)的能源節(jié)約估計(jì)超過(guò)250，000美元。

出口阻尼器

這些通過(guò)限制出口處的氣流路徑來(lái)控制流量。由于效率低下（圖1）和損壞系統(tǒng)組件的可能性，它們很少用于大型工業(yè)風(fēng)扇。

部分關(guān)閉或節(jié)流、平行或相對(duì)的風(fēng)門葉片可提供所需的流量減少。然而，阻尼器上游側(cè)的壓力增加會(huì)增加系統(tǒng)的背壓。這種阻力會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇的工作點(diǎn)在其性能曲線上出現(xiàn)負(fù)移。

過(guò)度使用阻尼器可能會(huì)損壞系統(tǒng)組件。高度節(jié)流的出口阻尼器會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的抖振和非常高的背壓，這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)組件過(guò)早磨損、過(guò)熱甚至破裂，從而導(dǎo)致運(yùn)行和維護(hù)成本增加。這種阻尼器在臟空氣流中也易于腐蝕。此外，阻尼器葉片上堆積的顆粒物質(zhì)和阻尼器元件的熱變形會(huì)妨礙調(diào)節(jié)葉片進(jìn)行節(jié)流的能力。

變頻器

變頻器通常在最寬的體積和壓力范圍內(nèi)提供最平穩(wěn)的流量控制。憑借經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的節(jié)能能力，它們是在降低的流量和壓力下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的空氣流動(dòng)系統(tǒng)的流行選擇。此外，變頻器結(jié)構(gòu)緊湊，可以輕松添加到大多數(shù)現(xiàn)有電機(jī)中，它們減少了與出口和入口阻尼器相關(guān)的常見污垢問(wèn)題，例如過(guò)度振動(dòng)、噪音和設(shè)備磨損。

隨著風(fēng)扇速度（rpm）隨著變頻器的降低，壓力、體積和馬力都會(huì)下降。風(fēng)扇性能和制動(dòng)馬力（BHP）的曲線基本上與風(fēng)扇定律曲線一致（圖1）。這種轉(zhuǎn)變適用于大多數(shù)固定電阻系統(tǒng)。它在降低速度時(shí)可顯著節(jié)省馬力，如第三個(gè)風(fēng)扇定律所示：BHP2=（rpm2/rpm1）3（BHP1）

換句話說(shuō)，將電機(jī)速度減半會(huì)將功耗降低到八分之一。例如，從1，000BHP的1，000rpm降至500rpm會(huì)導(dǎo)致功率降低至125BHP。以較低的速度運(yùn)行電機(jī)所需的能量要少得多。

變頻器提供的軟啟動(dòng)功能為降低能源需求提供了進(jìn)一步的機(jī)會(huì)。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)期間通常會(huì)遇到比正常運(yùn)行期間更高的電流。變頻器允許電機(jī)以較低的電流啟動(dòng)。通過(guò)消除較高的啟動(dòng)電源浪涌，變頻器減少了電機(jī)繞組和控制器的磨損，并降低了可能影響敏感設(shè)備的電壓驟降的嚴(yán)重程度。

變頻器還可以降低速度和風(fēng)量較低時(shí)的氣流噪音。使用風(fēng)門節(jié)流氣流會(huì)導(dǎo)致噪音水平增加，從而降低工人的舒適度。

變頻器問(wèn)題

盡管降低電力需求和維護(hù)成本具有典型的好處，但變頻器并不適合所有應(yīng)用。此外，安裝變頻器取決于幾個(gè)關(guān)鍵的風(fēng)扇設(shè)計(jì)考慮因素：1）在整個(gè)運(yùn)行速度范圍內(nèi)的自然諧振頻率；2）聯(lián)軸器；3）軸承；4）系統(tǒng)靜壓。

空氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)組件具有自然共振頻率。如果在運(yùn)行過(guò)程中受到激勵(lì)，這些頻率可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)應(yīng)力和疲勞，從而產(chǎn)生噪音，并可能導(dǎo)致葉輪、軸、軸承和基礎(chǔ)等某些部件開裂或損壞。共振沖擊測(cè)試可以確定自然共振頻率。一個(gè)關(guān)鍵是扭轉(zhuǎn)共振頻率，它是使用從空氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的組件收集的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的，包括風(fēng)扇、聯(lián)軸器和電機(jī)組件。

風(fēng)扇通常設(shè)計(jì)為具有高于或低于任何自然共振頻率（包括扭轉(zhuǎn)頻率）的正常運(yùn)行速度。如果正常運(yùn)行速度超過(guò)這些頻率，則隨著轉(zhuǎn)速的降低，變頻器將面臨撞擊它們的風(fēng)險(xiǎn)。達(dá)到軸橫向共振頻率的第一風(fēng)扇速度稱為第一臨界速度。

各種系統(tǒng)更改可以將諧振頻率轉(zhuǎn)移到風(fēng)扇運(yùn)行速度范圍之外，從而避免達(dá)到第一臨界速度。改變扭轉(zhuǎn)共振頻率的最常見選擇是更換聯(lián)軸器——例如，更換為彈性塊型聯(lián)軸器或其他具有高阻尼特性的聯(lián)軸器。對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的修改還可以改變系統(tǒng)中的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)首選的運(yùn)行速度范圍。除了機(jī)械改動(dòng)之外，還可以對(duì)變頻器進(jìn)行編程，以鎖定接近第一臨界速度的速度或可能激發(fā)自然頻率的其他速度。變頻器專業(yè)人員應(yīng)參與此過(guò)程。

軸承還需要仔細(xì)選擇以匹配空氣流動(dòng)系統(tǒng)。某些軸承類型（包括滑動(dòng)軸承）的正常運(yùn)行需要足夠的運(yùn)行速度；減摩軸承通常在任何速度下都表現(xiàn)良好。

在使用裝有在運(yùn)行期間打開的出口擋板的管道出口的系統(tǒng)中，擋板需要足夠的靜壓才能正常工作。如果風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低時(shí)壓力水平過(guò)低，則風(fēng)門將不會(huì)打開。因此，檢查滿足壓力要求所需的最低運(yùn)行速度對(duì)于確定變頻器是否最適合這些情況至關(guān)重要。

做出正確的選擇

只有一點(diǎn)，入口風(fēng)門、出口風(fēng)門和變頻器的功率效率基本相同——最大速度。對(duì)于最大流量，所有三個(gè)選項(xiàng)的功耗相對(duì)相似。隨著流量需求的減少，變頻器通常會(huì)提供最佳效率。但是，如果系統(tǒng)流量需求始終保持在80%–100%范圍內(nèi)，入口阻尼器可能是一個(gè)可行的替代方案。對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，出口阻尼器不是一種可行的流量控制手段。但請(qǐng)記住，為操作選擇最佳流量調(diào)節(jié)裝置需要仔細(xì)分析。
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