1.引言

节能已经成为上到政府，下到企业最为重视的问题之一，然而当前我国实现节能目标面临的形势十分严峻，政府正在不断地加大对节能工作的支持力度。

能源消耗型工业企业所消耗的能源占到了能源总消耗量的绝大部分比重，因此工业企业节能是节能工作的重中之重。然而对于生产企业来讲，节能并不是一个简单的事情。首先，耗能设备是生产工艺中的重要设备，如果仅仅简单地考虑降低其能耗，而不是对是否会影响其正常生产做出评估，往往会适得其反，甚至带来更严重的后果。因此，节能必须作为一个系统问题加以综合考虑。实际上有不少节能改造项目最后失败了，其原因大多是没有充分注意到这一点；其次，毕竟盈利是企业的第一目标，如果不能事先比较准确地估计出节能效果，从而定量地计算出投资回收率，企业很难做出投资的决定；最后，在满足生产要求的前提下，最大限度地挖掘系统的节能潜力，应该作为节能改造工作的终极目标。

综上所述，如果在节能改造项目中能真正做到以下3点，将会对节能工作产生重要的推进作用：

1．在进行节能改造方案设计时，对是否影响正常生产做出正确评估，改进并完善方案，以消除对生产可能造成的不利影响；

2．较准确地估计出节能效果；

3．在方案设计及实施过程中，尽可能地在满足生产要求的前提下，最大限度地挖掘系统的节能潜力。

利用计算机仿真技术可以很好地解决上述3个问题。计算机仿真是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术^[2]。

利用计算机仿真技术建立起节能改造对象所在的生产工艺系统的整体动态仿真模型，以及节能设备所组成的系统的仿真模型，并将两个系统连接成一个整体。这样就可以对改造前及改造后的整个系统进行仿真模拟。通过仿真实验，就可以很方便地进行安全性评估以及节能效果的计算。而且还可以利用系统的仿真模型来调试、验证并优化节能系统的控制算法。

公司已经开发出了基于计算机仿真技术的节电分析与节电设计系统，该系统目前主要应用于变频节电项目。

2.变频节电技术

电能是最广泛的能源利用形式，我国的电动机用电量占全国发电量的60％～70％，而在电动机拖动的设备中，风机、泵类设备的耗电量占到了全国电力消耗的1/3。在多数情况下，风机、泵类设备的负荷会在一定范围内变化，而在设备的选型设计时就只能根据其可能的最大负荷，再考虑一定的余量来确定风机、泵的额定负荷，而电动机的额定负荷又会比风机（或泵）大一些。这样就导致这些设备会一直或经常处在实际负荷比额定负荷低得多的情况下，即所谓的“大马拉小车”现象。

风机、泵负荷的传统调节方法是节流法，即调节挡板或阀门的开度。而这种调节方法会带来很大的能量浪费。如果通过调节风机或泵的转速来适应负荷变化，则可以避免节流造成的能量浪费。

自上世纪80年代变频器被引进中国以来，其作为节能应用与速度控制领域中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。变频技术具有调速性能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用中具有显著的节能效果。变频调速是目前交流电动机最理想、最节能的调速方案。

3.节电分析及节电设计系统介绍
3.1SimuWorks仿真平台

本系统在SimuWorks仿真平台的基础之上开发，SimuWorks是一套通用的系统仿真开发与运行支撑平台，包含以下几个组成部分：

(1) 仿真引擎

仿真引擎SimuEngine是介于仿真系统和计算机操作系统之间的可视化仿真支撑系统，运行在Windows操作系统上。

 (2) 通用图形化自动建模系统

支持连续系统和离散系统的建模，只需要拖拽模块图形和添加连线，系统便会自动完成系统拓扑结构的分析和仿真模型的生成。

(3) 模块资源库和算法库

SimuWorks提供了一些通用的模块库和算法库，包括控制系统模块库、电气系统模块库、热力系统模块库等。另外，还提供了流体网络算法库和电气网络算法库。

3.2对象设备的仿真模型

利用SimuWorks仿真平台，开发了典型设备的仿真模型，包括泵（水泵、油泵等）、风机、电动机、变频器、管道、阀门等。这些仿真模型均设计为通用模型，即通过改变模型的参数可以模拟不同型号的同类设备。

主要典型设备的模块设计如下：

（1）变频器模块

本模块模拟变频器的主要功能，动力电源输入端取电压信号及频率信号，经过交-直-交变频后，输出端输出电压信号及频率信号，其中输出端的电压及频率信号受变频器控制方式的控制。

本模块仿真的变频器可以设置闭环控制及开环控制两种方式。在闭环控制方式下，模拟输入端作为信号反馈接入端，信号输入后经过变频器内置控制器的运算，输出给定频率及电压，达到控制的目的，或者采用外接控制器的方式，禁用变频器本身的控制器，模拟输入端作为频率给定值，这样做的好处是可以灵活选择控制算法，不受装置本身的限制；而在开环控制方式下，通过手动调节模拟输入端的设定值，来调节变频器的频率输出。

本模块还模拟运行中电动机的速度与变频器的输出电压之间的多种不同的控制关系，如：线性V/f控制，用于可变转矩和恒定转矩的负载；抛物线V/f控制，用于可变转矩负载，如风机和泵等。

（2）电动机模块

本模块可输入不同的铭牌参数来仿真不同型号的电动机，考虑了负载变化以及频率变化等因素对电动机效率的影响。确定效率后，可以根据负载功率除以效率得到电源端消耗的功率：

P1 = P2 / η

(1)

其中P₁是电动机消耗的总功率，P₂是负载功率，η是电机效率。

另外还需确定的是电动机的转速，在某一频率下，在电动机的允许范围内，电动机的转速随负载的增加而减小，转差率随之增大，而在某一负载下，电动机的转差率随频率的降低而增大。根据电动机实际运行时转差率的变化情况，确定转差率的大小，然后根据以下公式得到电动机的转速：

N = (1-S)*nN1

(2)

其中n是电动机转速，S是转差率，n_N1是同步转速。

（3）泵模块与风机模块

泵模块（含水泵及油泵）和风机模块用于水泵、油泵和风机的热力参数及流动特性参数等的计算。使用时，先按照要求将水泵、油泵、风机的扬程曲线及功率曲线转变成坐标点数据输入给模块的相应参数，另外还需要输入3组状态参数，其中额定工况和冷态工况分别为额定工况和冷态工况初始参数，第3个工况为水泵、油泵、风机投入运行下的工况参数值。

以上数据输入完成后，使用模块的预处理程序进行一些常数的计算。预处理程序主要是用最小二乘法对输入的曲线坐标点进行拟和，得到一组多项式的系数。模块在运行时根据这些系数计算流动特性参数，然后流体网络计算程序会根据这些流动特性参数计算出系统中的压力、流量等流动参数^[3]。

这里模拟的是变频泵与变频风机，也即泵（风机）的转速是可以变化的，所以在计算特性参数时考虑转速变化的影响。
 
 

3.3泵和风机特性数据库

系统收集了一些泵和风机的特性数据，得到这些数据之后，可以迅速地得到一个已知型号的泵或风机的准确的仿真模型。
3.4典型对象系统的仿真模型

       以建立的设备仿真模型为基础，在SimuWorks仿真平台上，搭建了典型对象系统的整体仿真模型。

       实际系统的动力设备可分为泵和风机两大类，先分别搭建一个由泵组成的典型系统的仿真模型和一个由风机组成的典型系统的仿真模型。系统模型使用SimuWorks提供的流体网络算法及流体网络计算程序自动生成的功能，可以对系统进行准确的静态和动态模拟。

       这两类系统模型同样具有通用性，即可以任意改变系统中设备的参数及系统的整体结构。图1为一个由水泵组成的典型系统及其变频调速系统的仿真组态图。