鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，在電力、機械、冶金、化工、紡織、造紙、食品等行業(yè)，以及民用采暖中都占據(jù)著重要的角色，根據(jù)生產(chǎn)負荷需求，鍋爐要隨時調(diào)整生產(chǎn)狀態(tài)，改變供熱量的多少。用戶在選配風機時，都是根據(jù)工藝要求中出現(xiàn)的最大負荷來確定容量，所以存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，而且鍋爐的引風機、鼓風機和二次風機的風量是通過調(diào)節(jié)風門大小來實現(xiàn)的，而用來帶動風機的電動機的轉(zhuǎn)速是不可調(diào)節(jié)的，因此造成大量的調(diào)節(jié)損失和電量的浪費。基于這種情況，本文提出采用變頻調(diào)速技術(shù)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(shè)備的起動性能，實現(xiàn)了無級調(diào)速，而且節(jié)約了35%左右的電能，從而達到節(jié)能降耗、減少設(shè)備噪聲污染的目的。
2 問題提出
通常在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造業(yè)中風機設(shè)備主要用于鍋爐燃燒系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等場合，根據(jù)生產(chǎn)需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調(diào)節(jié)以適應工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風機都要全速運轉(zhuǎn)，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產(chǎn)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(shè)備損耗。從而導致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護、維修費用高居不下。風機類設(shè)備多數(shù)采用異步電動機直接驅(qū)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(shè)備使用壽命，而且當負載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設(shè)備，時常出現(xiàn)泵損壞同時電機也被燒毀的現(xiàn)象。近年來，出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質(zhì)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(xiàn)高功能化等特點；因而采用變頻器驅(qū)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(yè)鍋爐上的引風機都是電機以定速運轉(zhuǎn)，再通過改變引風機入口的檔板開度來調(diào)節(jié)風量。而風機的最大特點是負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此如將電機的定速運轉(zhuǎn)改為根據(jù)需要的流量來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速就可節(jié)約大量的電能。要提高引風機電動機的工作效率、節(jié)約電能。一是可在引風機電動機上裝上調(diào)速裝置。根據(jù)工作的情況調(diào)節(jié)調(diào)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(tǒng)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(tǒng)在2#鍋爐引風機原電氣控制系統(tǒng)基礎(chǔ)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(jù)工藝狀況需要而調(diào)節(jié)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(zhuǎn)節(jié)約電能。引風機變頻器運行受鍋爐燃燒控制系統(tǒng)dcs的控制。調(diào)節(jié)dcs 4～20ma電流輸入信號，將控制變頻器的輸出頻率，以達到穩(wěn)定工況及提高鍋爐熱效率和節(jié)能之目的。2006年4月一次性投資30萬元對2#鍋爐引風機設(shè)備進行變頻調(diào)試速節(jié)能改造，2#鍋爐引風機改造電氣原理圖如圖1所示。
圖1 2#鍋爐引風機電氣原理圖
4 變頻調(diào)速的特點及節(jié)能分析
鍋爐引風機電機在沒有實現(xiàn)變頻調(diào)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(diào)節(jié)。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(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)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(shù)，電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。利用變頻調(diào)速技術(shù)，變頻器很好的解決了引風機根據(jù)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(diào)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(diào)速，調(diào)速范圍大；
（2） 工作可靠，能長期穩(wěn)定運行；
（3） 操作簡便，維護量??；
（4） 輸出特性可滿足風機性能要求；
（5） 節(jié)能效果顯著。
根據(jù)風機的流量變化與轉(zhuǎn)速成正比，壓力變化與轉(zhuǎn)速成正比，而功率變化與轉(zhuǎn)速變化立方成正比。因此，當風機轉(zhuǎn)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(diào)速節(jié)能原理
風機是將電動機的軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的設(shè)備。過去很少采用轉(zhuǎn)速控制的方法，多是由鼠籠式異步電機拖動進行恒速運轉(zhuǎn)，當需要改變流量時，調(diào)節(jié)節(jié)流閥和擋板，這種方法雖然控制簡單，但節(jié)能較差，不經(jīng)濟，動態(tài)跟蹤性能也很差。變頻調(diào)速節(jié)能是相對于閥門調(diào)節(jié)而言，采用變頻調(diào)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(zhuǎn)速。由流體力學可知，流量q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風壓h與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，功率p與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即：q=qe×（n/ne），h=he×（n/ne）2，p=pe×（n/ne）3，式中，qe為風機的額定流量，he為風機的額定壓力，pe為風機的額定功率，ne為風機的額定轉(zhuǎn)速。由上面的公式可知，調(diào)節(jié)風機流量時，可通過轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，此時風機軸輸出功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。根據(jù)風機系統(tǒng)特性曲線如圖2加以分析。
圖2 風機系統(tǒng)特性曲線
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(tǒng)的風門調(diào)節(jié)方式，增加系統(tǒng)阻力來滿足要求，使風機工作點由a點轉(zhuǎn)移到b點。這種方法不但不能節(jié)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(jié)構(gòu)振動，產(chǎn)生噪聲及有損設(shè)備。采用變頻調(diào)速技術(shù)后，通過變頻調(diào)速，降低異步電機的轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)重新達到平衡，工作點由a點轉(zhuǎn)移到c點。從c點可看出，電機轉(zhuǎn)速雖然降低了，但對風機效率影響不大。根據(jù)上述原理，當風機流量在較大范圍內(nèi)發(fā)生變化時，采用變頻調(diào)速對風機轉(zhuǎn)速加以控制，將會取得非常顯著的節(jié)能效果。風機流量、轉(zhuǎn)速、軸功率及電源頻率關(guān)系如附表所示。
6 節(jié)能計算
2#鍋爐引風機電機（y355l1—6，pe=250kw，ue=380v，ie=458a）改造前、后節(jié)能效果計算情況如下；
（1） 改造前實測數(shù)據(jù)
u1=380v；i1=412a；cosφ1=0.82；
p1=1.732uicosφ=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(shù)據(jù)
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(jié)省的電量
1600920－1200690=400230度；
節(jié)電率：400230÷1600920=25%；
每年節(jié)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(diào)速技術(shù)后，改變了原有的操作方式，實現(xiàn)了遠程控制，能夠有效地調(diào)節(jié)鍋爐生產(chǎn)過程，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保持風機高效運轉(zhuǎn)，電機實現(xiàn)了軟啟動，無沖擊電流，設(shè)備故障率大大降低，維修費用大為減少。拖動系統(tǒng)應用變頻調(diào)速技術(shù)，在大大節(jié)約電能的基礎(chǔ)上，使長期輕載運行的引風機工作在低轉(zhuǎn)速、低電壓的狀態(tài)下，這樣就使電機發(fā)熱少、溫升低，延長了使用壽命。變頻調(diào)速技術(shù)也提高了功率因數(shù)，使電網(wǎng)損耗減少，效率提高，同時降低了風機噪音，改善了生產(chǎn)環(huán)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(yè)鍋爐上的應用進行總結(jié)，具有以下優(yōu)點：
（1） 節(jié)電降耗效果顯著，操作簡便，調(diào)節(jié)平衡，尤其與微機控制相聯(lián)更體現(xiàn)了優(yōu)越性，深受司爐工的歡迎；
（2） 平滑啟動及轉(zhuǎn)機轉(zhuǎn)速下降，機械磨損減小，故障率下降，減少了停機、停爐對生產(chǎn)的影響；
（3） 檔板和調(diào)節(jié)閥的機械磨損、卡死等故障不復存在了，大大減少了設(shè)備維護、維修費用。
8 結(jié)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(jié)能改造具有結(jié)構(gòu)簡單、改造方便、節(jié)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(shè)備機械沖擊、延長設(shè)備使用壽命、降低設(shè)備的維修費用；
（3） 變頻調(diào)速技術(shù)先進、成熟，提高了設(shè)備的技術(shù)含量。
鍋爐引風機等風機類設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能運行是我國節(jié)能的一項重點推廣技術(shù)，受到國家政府的普遍重視，實踐證明，變頻器用于風機類設(shè)備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備維護、維修費用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)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(yè)于山東科技大學機械電子系機電一體化專業(yè)，現(xiàn)工作于兗礦魯南化肥廠電氣分廠，主要從事化工電氣設(shè)備的技術(shù)管理工作。
參考文獻
[1] 方大千. 節(jié)能計算手冊. 北京:電力工業(yè)出版社,2006
[2] p11系列富士變頻器操作說明書
（轉(zhuǎn)載）
