1 概述

鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換的重要設備，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，所以存在著“大馬拉小車”的現(xiàn)象。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)損失和電能的浪費?；谶@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，改善了風機設備的起動性能，實現(xiàn)了無級調(diào)速，可以節(jié)約35%左右的電能，從而達到了節(jié)能降耗、減少設備噪聲污染的目的。

2 問題的提出

通常在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造業(yè)中風機設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備損耗，從而導致生產(chǎn)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(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，利用變頻器易操作、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擋板開度來調(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，可以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。實現(xiàn)這一目標的最佳調(diào)速裝置就是變頻器。為此，我們在我廠2#鍋爐引風機上進行了實踐。不必對原系統(tǒng)進行大改動，僅增加一變頻器柜，我們選用的變頻器為富士FRN280P11-4CX，額定容量396 kVA，額定輸出電流520 A，配用電抗器型號為CR4-280B。

在2# 鍋爐引風機原電氣控制系統(tǒng)基礎上進行電氣改造，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耀20 mA電流輸入信號，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#鍋爐引風機設備進行變頻調(diào)速節(jié)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(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%耀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)，變頻器很好地解決了引風機根據(jù)工況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，維護量小;

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壓力與流量的設備。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，但不節(jié)能，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伊(n/ne)，h=he伊(n/ne)2，P=qe伊(n/ne)3，式中，qe為風機的額定流量，he為風機的額定壓力，qe 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。

風機流量、轉(zhuǎn)速、軸功率及電源頻率關系如表1 所列。

6 節(jié)能計算

2# 鍋爐引風機電機(Y355L1-6，Pe=250 kW，Ue=380 V，Ie=458 A)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=380 V，I1=412 A，cos漬1 =0.82，P1 =1.732UIcos漬1 =1.732 伊380 伊412 伊

0.82=222.4 kW。

改造前每年耗電量(全年運行300 天計)為：222.35 kW伊24伊300=1 600 920 kW·h。

2)改造后實測數(shù)據(jù)：U2=380 V，I2=253.4 A，cos漬2=1;P2=1.732伊380伊253.4伊1=166.7 kW·h;

改造后每年耗電量(全年運行300 天計)為：166.7 kW伊24伊300=1 200 690 kW·h。

3)每年節(jié)省的電量：1 600 920原1 200 690=400 230 kW·h;節(jié)電率：400 230衣1 600 920=25%;

每年節(jié)約電費(按0.55 元/kW·h 計)：400 230伊0.55=2 201 265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，能夠有效地適應鍋爐生產(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)平滑啟動及電機轉(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)擋板和調(diào)節(jié)閥的機械磨損、卡死等故障不復存在了，大大減少了設備維護、維修費用。

8 結(jié)語

鍋爐引風機等風機類設備采用變頻調(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。既提高了設備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此大大減少了設備維護、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，只需要大約16 個月就可收回全部投資。