變頻器在鍋爐引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用

1 概述

鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，在電力、機(jī)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(fù)荷需求，鍋爐要隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)狀態(tài)，改變供熱量的多少。用戶在選配風(fēng)機(jī)時(shí)，都是根據(jù)工藝要求中出現(xiàn)的最大負(fù)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(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門大小來實(shí)現(xiàn)的，而用來帶動(dòng)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)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(fèi)。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(fēng)機(jī)電機(jī)，極大地改善了工藝操作人員工作條件，改善了風(fēng)機(jī)設(shè)備的起動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速，可以節(jié)約35%左右的電能，從而達(dá)到了節(jié)能降耗、減少設(shè)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(fēng)機(jī)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(fēng)系統(tǒng)等場(chǎng)合，根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況。而最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對(duì)象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)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(fèi)和設(shè)備損耗，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下。風(fēng)機(jī)類設(shè)備多數(shù)采用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行，存在啟動(dòng)電流大、機(jī)械沖擊、電氣保護(hù)特性差等缺點(diǎn)。不僅影響設(shè)備使用壽命，而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護(hù)設(shè)備，時(shí)常出現(xiàn)泵損壞同時(shí)電機(jī)也被燒毀的現(xiàn)象。近年來，出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，利用變頻器易操作、免維護(hù)、控制精度高，并可以實(shí)現(xiàn)高功能化等特點(diǎn)，因而采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案開始逐步取代風(fēng)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(fēng)機(jī)都是電機(jī)以定速運(yùn)轉(zhuǎn)，再通過改變引風(fēng)機(jī)入口的擋板開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量。而風(fēng)機(jī)的最大特點(diǎn)是負(fù)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(jī)的定速運(yùn)轉(zhuǎn)改為根據(jù)需要的流量來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可節(jié)約大量的電能。要提高引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的工作效率，節(jié)約電能，可以在引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳調(diào)速裝置就是變頻器。為此，我們?cè)谖覐S2#鍋爐引風(fēng)機(jī)上進(jìn)行了實(shí)踐。不必對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行大改動(dòng)，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(hào)為CR4-280B。

在2# 鍋爐引風(fēng)機(jī)原電氣控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行電氣改造，拆除原進(jìn)線交流接觸器，增加中間繼電器，其它部分均不變。

因?yàn)樽冾l器在風(fēng)機(jī)改造方面得到廣泛的應(yīng)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(dāng)工藝狀況需要時(shí)，讓電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行以達(dá)到工藝要求;當(dāng)工藝狀況允許時(shí)，使電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)約電能。引風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)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(hào)，控制變頻器的輸出頻率，以達(dá)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(duì)2#鍋爐引風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，2# 鍋爐引風(fēng)機(jī)改造電氣原理圖如圖1 所示。

4 變頻調(diào)速的特點(diǎn)及節(jié)能分析

鍋爐引風(fēng)機(jī)電機(jī)在沒有實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制之前，一般采用“降壓起動(dòng)”，并且正常運(yùn)行后，電動(dòng)機(jī)全壓、全速運(yùn)行，而引風(fēng)機(jī)風(fēng)量的大小則通過風(fēng)門來調(diào)節(jié)。一般情況下，風(fēng)門的開度為50%耀80%，電機(jī)只能是滿負(fù)荷運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的工作效率很低，造成很大浪費(fèi)。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù));通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)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(fēng)機(jī)根據(jù)工況直接控制風(fēng)量的大小而滿足工況的要求, 變頻器是無級(jí)調(diào)速的，用變頻器改造風(fēng)機(jī)，具有以下特點(diǎn)：

1)起動(dòng)、停止平衡，無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大;

2)工作可靠，能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;

3)操作簡(jiǎn)便，維護(hù)量小;

4)輸出特性可滿足風(fēng)機(jī)性能要求;

5)節(jié)能效果顯著。

根據(jù)風(fēng)機(jī)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(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，風(fēng)量減少，電機(jī)功率成立方比下降。

5 風(fēng)機(jī)類負(fù)荷變頻調(diào)速節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)是將電動(dòng)機(jī)的軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w壓力與流量的設(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(jī)拖動(dòng)進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要改變流量時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥和擋板，這種方法雖然控制簡(jiǎn)單，但不節(jié)能，不經(jīng)濟(jì)，動(dòng)態(tài)跟蹤性能也很差。變頻調(diào)速節(jié)能是相對(duì)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(jī)電源頻率的方法來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。由流體力學(xué)可知，流量q 與轉(zhuǎn)速n 的一次方成正比，風(fēng)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(fēng)機(jī)的額定流量，he為風(fēng)機(jī)的額定壓力，qe 為風(fēng)機(jī)的額定功率，ne 為風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。由上面的公式可知，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量時(shí)，可通過轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)風(fēng)機(jī)軸輸出功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

風(fēng)機(jī)流量、轉(zhuǎn)速、軸功率及電源頻率關(guān)系如表1 所列。

6 節(jié)能計(jì)算

2# 鍋爐引風(fēng)機(jī)電機(jī)(Y355L1-6，Pe=250 kW，Ue=380 V，Ie=458 A)改造前、后節(jié)能效果計(jì)算情況如下。

1)改造前實(shí)測(cè)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(yùn)行300 天計(jì))為：222.35 kW伊24伊300=1 600 920 kW·h。

2)改造后實(shí)測(cè)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(yùn)行300 天計(jì))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(fèi)(按0.55 元/kW·h 計(jì))：400 230伊0.55=2 201 265元。

7 改造效果

2# 鍋爐引風(fēng)機(jī)通過應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)后，改變了原有的操作方式，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，能夠有效地適應(yīng)鍋爐生產(chǎn)過程，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，保持風(fēng)機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，無沖擊電流，設(shè)備故障率大大降低，維修費(fèi)用大為減少。拖動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，在大大節(jié)約電能的基礎(chǔ)上，使長(zhǎng)期輕載運(yùn)行的引風(fēng)機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速、低電壓的狀態(tài)下，這樣就使電機(jī)發(fā)熱少、溫升低，延長(zhǎng)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(shí)降低了風(fēng)機(jī)噪音，改善了生產(chǎn)環(huán)境。另外變頻器自我檢測(cè)、故障診斷、保護(hù)功能齊全，可有效地防止事故擴(kuò)大化。

通過對(duì)變頻器在工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)節(jié)電降耗效果顯著，操作簡(jiǎn)便，調(diào)節(jié)平衡，尤其與微機(jī)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(dòng)及電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械磨損減小，故障率下降，減少了停機(jī)、停爐對(duì)生產(chǎn)的影響。

3)擋板和調(diào)節(jié)閥的機(jī)械磨損、卡死等故障不復(fù)存在了，大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用。

8 結(jié)語

鍋爐引風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)類設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行是我國節(jié)能的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù)，受到國家政府的普遍重視，實(shí)踐證明，變頻器用于風(fēng)機(jī)類設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制場(chǎng)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，并且因此大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，只需要大約16 個(gè)月就可收回全部投資。