罗茨鼓风机变频调速改造化工应用

罗茨鼓风机在化工生产中应用广泛，目前全国均苯四甲酸二酐生产装置中普遍使用罗茨鼓风机，其控制方式均采用手动旁通放空，来控制其实际需求的风量。某一均苯四甲酸二酐装置中氧化工段罗茨鼓风机型号为 RF240，其额定工况参数为：流量Q=56m3/min，转速n=800r/min，功率N=75KW，驱动电动机为Y315S-6三相异步电动机，是大耗电量设备。均苯四甲酸二酐装置生产时，需根据生产负荷、季节、反应情况随时调节进入装置的风量，装置运行近两年来，一直工作在欠载状态，部分风量经旁路放空，造成能源严重浪费。根据装置的运行数据统计，罗茨鼓风机工作时的流量一般在额定流量的70%~80%，即所消耗的电能约有20%~30%通过放空被浪费掉了。同时，在放空过程中，噪声很大，达到110dB。对罗茨鼓风机进行节能改造有着显著的经济和环境效应。

罗茨鼓风机节能改造方法的确定

罗茨鼓风机属容积回转式风机，其工作特点是当转速一定而压力在允许范围内加以调节时，流量的变动甚微； 转速和流量之间保持正比的关系。采用旁路调节法不能改变罗茨鼓风机的吸气量，所以风机始终在满负荷下运行， 不能节能。而改变转速，使风机吸气量发生变化，其功率消耗也随之改变。所以对罗茨鼓风机进行变速调节可达到节能目的，而调速方法较多，如表1所示。

表1各种调速方法的比较

自控与监测

经过比较认为，在几种调速方法中，变频调速技术最为先进，合理，它只要通过调节供电电源频率大小，便可改变电动机转速，即可达到调节罗茨鼓风机流量大小的目的，而且变频调速效率高，调速性能好，调速改造方便。因此，决定采用变频调速技术对罗茨鼓风机进行技术改造，不但达到节能目的，同时也可提高装置的自动控制水平。

罗茨鼓风机变频调速改造

1、罗茨鼓风机变转速工作特性

（1）流量特性  罗茨鼓风机的理论流量与转子转速的关系式为

     Q_{th = (π/2)D}²_Lλn

式中

Q_th——理论流量，单位为m³/min

D——叶轮外径，单位为m

L——叶轮长度，单位为m

λ——面积利用系数，表征风机气缸空间的有效利用程度（圆弧——渐开线型线的面积利用系数λ=0.563~0.521）

n——叶轮转速，单位为r/min

罗茨鼓风机的实际流量Q为

Q= η_vQ_th

式中，η_v——容积效率，一般取η_v=0.7~0.9

由式1和式2可知，对每一台具体的罗茨鼓风机，其叶轮外径、长度和面积利用系数都是一个定值，当忽略容积效率η_v的变化时，罗茨鼓风机的流量Q正比于转速n

2、功率特性  罗茨鼓风机的轴功率为

     N_z =Q_th△p/6000η_m

式中N_z——轴功率，单位为kW

Q_th——理论流量，单位为m³/min

△p_——风机进出口压差，单位为Pa

η_m——机械效率，一般取η_m=0.9

由式1和式3可知，当罗茨鼓风机转速n变化时，其轴功率N_z与转速n成正比。

3、转矩特性，罗茨鼓风机的转矩为

M=9552(N_z/n)

      由于罗茨鼓风机的轴功率N_z与转速n成正比，因此由式4可知，当转速变化时，转矩不变，即罗茨鼓风机属于恒转矩运行。

变频调速的工作原理

变频调速的主要工作原理是将三相交流工频电源经大功率整流元件整流，变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调制技术SPWM逆变为频率可调、幅度亦随之改变的三相交流电，以此为电源供给电动机使用1图，可以根据需要将电源频率调节到一定的值。

图1 变频器工作原理示意图

罗茨鼓风机的驱动一般采用交流三相异步电动机，其转速与电源频率的关系为   

n = 60f/P(1-s)

式中

n——电动机转速，单位为r/min

f——电源频率，单位为Hz

P——电动机的磁极度对数

S——电动机转差率，额定负载时一般为1.5~6%之间，对确定的电动机可视为定值。

由式5可知，转速n正比于电源频率f，调节f就可以达到调节n的目的。

罗茨鼓风机变频调速的控制方案

根据电动机容量，选用90kW变频器，Altivar系列变频器是一种静止的变频器，适用于高速传动，风机水泵类负载和各种恒转矩负载的传动，在恶劣环境中使用也能保持良好性能。其最大的特点是安装简便，参数显示清晰， 性能优越。具有自适应、自调整功能、坚固耐用，电动机传动装置具有自动保护，维护简单方便，节能效果明显。

图2所示为变频器控制接线图，此变频调速系统具有如下主要特点

1、保留原有的降压起动装置，以防变频器故障时备用， 控制柜面板上“工频/变频”选择开关旋至工频时，罗茨鼓风机将工作于原有的降压起动运行回路；当选择开关旋至变频时，罗茨鼓风机处于变频运行状态，风机的调速经变频器进行控制。

2、变频调速器的控制可以自动也可以手动控制，将总控室面板上的。’手动/自动’选择开关（图2中SA1）旋至手动时，电动机的调速将由多圈电位器来控制，操作人员根据工艺或外界条件的变化，通过旋转电位器来调整电动机转速，将选择开关旋至自动时，电动机的调速将由温控仪表进行PID控制，或由DCS系统进行控制。温控仪表进行PID控制与DCS系统控制可通过“仪表控制/DCS选择开关SA2(如图2所示)进行转换。

图2 变频器接线图

均苯四甲酸二酊生产装置中罗茨鼓风机变频调速系统的应用，实现了装置的节能运行，提高了罗茨鼓风机的使用寿命，且大大降低了生产装置的噪声。变频器对罗茨鼓风机来说是一种使用方便，故障率低，节能效果明显的设备。变频器的价格较高，变频调速系统的一次性投资较大，但其节能效果明显，投入使用9～10个月便收回全部投资。

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