變頻器在2#鍋爐引風機節能改造中的應用

1 引言
鍋爐作為能源轉換的重要設備，在電力、機械、冶金、化工、紡織、造紙、食品等行業，以及民用采暖中都占據著重要的角色，根據生產負荷需求，鍋爐要隨時調整生產狀態，改變供熱量的多少。用戶在選配風機時，都是根據工藝要求中出現的最大負荷來確定容量，所以存在“大馬拉小車”現象，而且鍋爐的引風機、鼓風機和二次風機的風量是通過調節風門大小來實現的，而用來帶動風機的電動機的轉速是不可調節的，因此造成大量的調節損失和電量的浪費。基于這種情況，本文提出采用變頻調速技術控制鍋爐引風機電機，極大地改善了工藝操作人員工作條件，改善了風機設備的起動性能，實現了無級調速，而且節約了35%左右的電能，從而達到節能降耗、減少設備噪聲污染的目的。

2 問題提出
通常在工業生產、產品加工制造業中風機設備主要用于鍋爐燃燒系統、烘干系統、冷卻系統、通風系統等場合，根據生產需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調節以適應工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節流損失消耗掉了。在生產過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下。風機類設備多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現泵損壞同時電機也被燒毀的現象。近年來，出于節能的迫切需要和對產品質量不斷提高的要求，采用變頻器易操作、免維護、控制精度高，并可以實現高功能化等特點；因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。

3 改造方案
通常工業鍋爐上的引風機都是電機以定速運轉，再通過改變引風機入口的檔板開度來調節風量。而風機的最大特點是負載轉矩與轉速的平方成正比，而軸功率與轉速的立方成正比，因此如將電機的定速運轉改為根據需要的流量來調節電機的轉速就可節約大量的電能。要提高引風機電動機的工作效率、節約電能。一是可在引風機電動機上裝上調速裝置。根據工作的情況調節調速器裝置的速度可以滿足工作狀況的要求。二是用變頻器對引風機進行改造，不必對原系統進行大改動,增加一變頻器柜，選用富士frn280p11—4cx；額定容量：396kva；額定輸出電流：520a型變頻器，配用電抗器型號：dcr4—280b。電氣控制系統在2#鍋爐引風機原電氣控制系統基礎上進行改造，拆除原進線交流接觸器，增加中間繼電器，其它部分均不變。因為變頻器在風機改造方面得到廣泛的應用，改造后，可根據工藝狀況需要而調節變頻器的輸出頻率，以滿足工藝要求。當工藝狀況需要時，讓電動機高速運行以達到工藝要求；當工藝狀況允許時，使電動機低速運轉節約電能。引風機變頻器運行受鍋爐燃燒控制系統dcs的控制。調節dcs 4～20ma電流輸入信號，將控制變頻器的輸出頻率，以達到穩定工況及提高鍋爐熱效率和節能之目的。2006年4月一次性投資30萬元對2#鍋爐引風機設備進行變頻調試速節能改造，2#鍋爐引風機改造電氣原理圖如圖1所示。


4 變頻調速的特點及節能分析
鍋爐引風機電機在沒有實現變頻調速控制之前，一般采用“降壓起動”，并且正常運行后，電動機全壓、全速運行，而引風機風量的大小則通過風門來調節。一般情況下，風門的開度為50%～80%，電機只能是滿負荷運行，電動機的工作效率很低，造成很大浪費。變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術，電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產品。利用變頻調速技術，變頻器很好的解決了引風機根據工況而直接控制風量的大小而滿足工況的要求,變頻器是無級調速的，用變頻器改造風機，具有以下特點：
（1） 起動停止平衡，無級調速，調速范圍大；
（2） 工作可靠，能長期穩定運行；
（3） 操作簡便，維護量小；
（4） 輸出特性可滿足風機性能要求；
（5） 節能效果顯著。
根據風機的流量變化與轉速成正比，壓力變化與轉速成正比，而功率變化與轉速變化立方成正比。因此，當風機轉速降低時，風量減少。電機功率成立方比下降。
5 風機類負荷變頻調速節能原理
風機是將電動機的軸功率轉變為流體的設備。過去很少采用轉速控制的方法，多是由鼠籠式異步電機拖動進行恒速運轉，當需要改變流量時，調節節流閥和擋板，這種方法雖然控制簡單，但節能較差，不經濟，動態跟蹤性能也很差。變頻調速節能是相對于閥門調節而言，采用變頻調速器后，將閥門全開，通過改變電機電源頻率的方法來改變電機轉速。由流體力學可知，流量q與轉速n的一次方成正比，風壓h與轉速n的平方成正比，功率p與轉速n的立方成正比，即：q=q_e×（n/n_e），h=h_e×（n/n_e）²，p=p_e×（n/n_e）³，式中，q_e為風機的額定流量，h_e為風機的額定壓力，p_e為風機的額定功率，n_e為風機的額定轉速。由上面的公式可知，調節風機流量時，可通過轉速進行調節，此時風機軸輸出功率與轉速的立方成正比。根據風機系統特性曲線如圖2加以分析。

假定風機最佳效率工作點是a點，當需減少風機的供風量時，采用傳統的風門調節方式，增加系統阻力來滿足要求，使風機工作點由a點轉移到b點。這種方法不但不能節能，反而會加快風機的效率損耗，同時低效運行會引起較高的空氣和結構振動，產生噪聲及有損設備。采用變頻調速技術后，通過變頻調速，降低異步電機的轉速，使系統重新達到平衡，工作點由a點轉移到c點。從c點可看出，電機轉速雖然降低了，但對風機效率影響不大。根據上述原理，當風機流量在較大范圍內發生變化時，采用變頻調速對風機轉速加以控制，將會取得非常顯著的節能效果。風機流量、轉速、軸功率及電源頻率關系如附表所示。

6 節能計算
2#鍋爐引風機電機（y355l1—6，pe=250kw，ue=380v，ie=458a）改造前、后節能效果計算情況如下；
（1） 改造前實測數據
u₁=380v；i₁=412a；cosφ₁=0.82；
p₁=1.732u_icosφ=1.732×380×412×0.82 =222.4kw。
改造前每年耗電量（全年運行300天計）為：222.35kw×24×300=1600920度。
（2） 改造后實測數據
u₂=380v；i₂=253.4a；cosφ₂=1；
p₂=1.732×380×253.4×1=166.7kw；
改造后每年耗電量（全年運行300天計）為：166.7kw×24×300=1200690度。
（3） 每年節省的電量
1600920－1200690=400230度；
節電率：400230÷1600920=25%；
每年節約電費（按0.55元/度）：400230×0.55=22012.65元=2.2萬元
7 改造效果
2#鍋爐引風機通過應用變頻調速技術后，改變了原有的操作方式，實現了遠程控制，能夠有效地調節鍋爐生產過程，使系統運行穩定，保持風機高效運轉，電機實現了軟啟動，無沖擊電流，設備故障率大大降低，維修費用大為減少。拖動系統應用變頻調速技術，在大大節約電能的基礎上，使長期輕載運行的引風機工作在低轉速、低電壓的狀態下，這樣就使電機發熱少、溫升低，延長了使用壽命。變頻調速技術也提高了功率因數，使電網損耗減少，效率提高，同時降低了風機噪音，改善了生產環境。另外變頻器自我檢測、故障診斷、保護功能齊全，可有效地防止事故擴大化。
通過對變頻器在工業鍋爐上的應用進行總結，具有以下優點：
（1） 節電降耗效果顯著，操作簡便，調節平衡，尤其與微機控制相聯更體現了優越性，深受司爐工的歡迎；
（2） 平滑啟動及轉機轉速下降，機械磨損減小，故障率下降，減少了停機、停爐對生產的影響；
（3） 檔板和調節閥的機械磨損、卡死等故障不復存在了，大大減少了設備維護、維修費用。
8 結束語
對2#鍋爐引風機改造表明：
（1） 采用變頻器對引風機進行節能改造具有結構簡單、改造方便、節能效果明顯、投資回收期短的特點；
（2） 使用變頻器后，風機可軟起軟停、減少設備機械沖擊、延長設備使用壽命、降低設備的維修費用；
（3） 變頻調速技術先進、成熟，提高了設備的技術含量。
鍋爐引風機等風機類設備采用變頻調速技術實現節能運行是我國節能的一項重點推廣技術，受到國家政府的普遍重視，實踐證明，變頻器用于風機類設備驅動控制場合取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產周期。直接和間接經濟效益十分明顯，需要大約16個月就可收回全部投資。

作者簡介
張慶忠（1973-） 男 電氣工程師，畢業于山東科技大學機械電子系機電一體化專業，現工作于兗礦魯南化肥廠電氣分廠，主要從事化工電氣設備的技術管理工作。
參考文獻
[1] 方大千. 節能計算手冊. 北京:電力工業出版社,2006
[2] p11系列富士變頻器操作說明書