高壓變頻技術(shù)在鍋爐風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用分析

八十年代，在發(fā)電廠高壓電機(jī)采用的風(fēng)門、閥門、電磁調(diào)速、液力偶合器調(diào)速、液態(tài)電阻調(diào)速、變極調(diào)速等耗能型電機(jī)調(diào)速方式，普遍存在適應(yīng)范圍窄、節(jié)能效果不顯著、機(jī)械特性變軟(除變極調(diào)速外)、運(yùn)行可靠低等問題，一直沒有好的解決辦法。九十年代，隨著功率單元串聯(lián)技術(shù)的研發(fā)成功和應(yīng)用，高壓變頻器裝置以其獨(dú)特的節(jié)能、高效、高可靠性、平滑而較硬的機(jī)械特性、以及強(qiáng)勁的輸出動(dòng)力，當(dāng)之無愧地成為電力電子拖動(dòng)的主角，成為新建和改造項(xiàng)目的首選。

目前，應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，一方面可以極大地節(jié)省風(fēng)機(jī)消耗的電能，減少啟動(dòng)沖擊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;另一方面可以提高功率因、降低諧波污染，提高系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高精度控制，提高可靠性，滿足對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)工藝過程對(duì)流量和壓力的精度要求。從而有效地提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量。高壓變頻技術(shù)，廣泛應(yīng)用電力行業(yè)、冶金行業(yè)、水泥行業(yè)、化工生業(yè)、自來水行業(yè)、供熱系統(tǒng)等。在全國各地已有達(dá)八千臺(tái)套應(yīng)用實(shí)例?？?cè)萘吭?000多萬千瓦，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。其高效率、高可靠、優(yōu)良的技術(shù)性能，得到用戶的一致好評(píng)，是企業(yè)用于高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域較為完善的技術(shù)，同以往的任何一種調(diào)速方式相比變頻器均具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，是電力拖動(dòng)調(diào)速領(lǐng)域的主流和發(fā)展趨勢(shì)。

一、高壓變頻調(diào)速原理

1.風(fēng)機(jī)不同調(diào)節(jié)方式對(duì)比

由電工原理可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，通過變頻器可任意改變電源輸出頻率從而任意調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑的無級(jí)調(diào)速。離心式風(fēng)機(jī)在變速調(diào)節(jié)的過程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力R的影響，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，將電機(jī)定速運(yùn)轉(zhuǎn)改變?yōu)楦鶕?jù)流量需要使用相應(yīng)電源頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)變速運(yùn)轉(zhuǎn),就可節(jié)約大量電能， 也能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由圖1可看出變頻器控制是最接近理想曲線的。

由圖2可知：在風(fēng)機(jī)的流量由100%下降到50﹪時(shí)，變速調(diào)節(jié)與風(fēng)門、閥門調(diào)節(jié)方式相比，風(fēng)機(jī)的效率平均高出30%以上。從節(jié)能的觀點(diǎn)來看,采用變速調(diào)節(jié)方式為最佳調(diào)節(jié)方式。采用定速驅(qū)動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)靠風(fēng)門調(diào)節(jié)，除產(chǎn)生大量的節(jié)流損耗外，反應(yīng)速度慢，導(dǎo)致機(jī)組無法響應(yīng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，采用調(diào)速驅(qū)動(dòng)后，機(jī)組的可控性提高了，響應(yīng)速度加快，控制精度也提高了，從而使整個(gè)機(jī)組的控制性能大為改善，不但改善了機(jī)組的運(yùn)行狀況，還可以進(jìn)一步節(jié)約能源，同時(shí)采用變速調(diào)節(jié)后可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長設(shè)備使用壽命，降低噪聲，大大改善起動(dòng)性能。工藝條件的改善，也能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.變頻調(diào)速的特性

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

n=60f(1-s)/p········································ (1)

其中：n—電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min; p—極對(duì)數(shù);

f—定子供電頻率Hz; s—轉(zhuǎn)差率。

由上式(1)可知，改變異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率f就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。同時(shí)，風(fēng)機(jī)為典型的平方減轉(zhuǎn)矩負(fù)載，下面以風(fēng)機(jī)的工作特性來分析節(jié)能原理。

風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)軸功率P與其流量Q，風(fēng)壓p之間的關(guān)系式如下：

P∝Q×p···························································· (2)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1、n2時(shí)，流量由Q1變化到Q2，此時(shí)Q、p、P相對(duì)于轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

Q2=Q1×(n2/n1)················································ (3)

p2=p1×(n2/n1)2 ················································ (4)

P2=P1×(n2/n1)3 ················································· (5)

由式(3)(4)(5)式可以看出，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)流量，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的2次方成正比, 風(fēng)機(jī)軸功率(功率輸出)與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，從理論上講，速度降低10%時(shí)會(huì)帶來30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可獲得顯著的節(jié)能效果顯著。 風(fēng)機(jī)調(diào)速后與調(diào)速前理論對(duì)比如下：

高壓變頻技術(shù)用于鍋爐風(fēng)機(jī)中的節(jié)能分析及優(yōu)越性" />

二、變頻調(diào)速的節(jié)能原理與分析

1.風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)轉(zhuǎn)特性

(1) 圖中，F(xiàn)1為工頻運(yùn)行時(shí)的(Q-p)性能曲線，也是變頻風(fēng)機(jī)在50Hz下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的性能曲線。E點(diǎn)為工頻運(yùn)行時(shí)的額定工作點(diǎn)，即擋風(fēng)板在某一固定位置時(shí)的工作點(diǎn)。A點(diǎn)為流量小于額定流量時(shí)的工作點(diǎn)，即通過關(guān)小擋風(fēng)板沿著(Q-p)特性曲線向左上方滑動(dòng)的一系列的工作點(diǎn);B點(diǎn)為流量大于額定流量的工作點(diǎn)，即擋風(fēng)板開大直至全開，并且沿著(Q-p)特性曲線向左下方滑動(dòng)的一系列工作點(diǎn)。請(qǐng)注意擋風(fēng)板全開之后，應(yīng)當(dāng)防止電動(dòng)機(jī)過載。

(2) pa為流量小于額定流量時(shí)的風(fēng)機(jī)出口全壓;pe為額定流量時(shí)的風(fēng)機(jī)出口全風(fēng)壓;pb為流量大于額定流量時(shí)風(fēng)機(jī)的出口全風(fēng)壓。Re為額定流量時(shí)，即擋風(fēng)板在某一固定位置時(shí)的管網(wǎng)阻力曲線;Ra為小于額定流量時(shí)，即關(guān)小擋風(fēng)板之后的管網(wǎng)阻力曲線;Rb為大于額定流量時(shí)，即擋風(fēng)板開大直至全開之后的管網(wǎng)阻力曲線。擋風(fēng)板在不同的位置時(shí)，Re，Ra，Rb實(shí)際是一系列曲線族。η1為效率曲線。

(3) 從圖3中我們可以看出，pa>pe>pb;Qaηb。在額定工作點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率最高，等于定效率。在額定工作點(diǎn)以外的任何工作點(diǎn)的效率都小于額定效率。

2.變頻運(yùn)行特性

(1) F2、F3不僅僅是二條曲線，而是F1性能曲線下方偏左的一系列曲線族，即工作頻率不同，(Q-p)曲線就沿著管網(wǎng)阻力曲線向左下方滑動(dòng)形成不同的(Q-p)曲線族。

(2) Fn變化時(shí)，工作點(diǎn)A、E、B、也分別沿著管網(wǎng)阻力曲線Rb，Re，Ra變?yōu)镃、D、F。效率曲線η1也隨著向左推移，并且形成高效扇形區(qū)。因此，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，pb降為pc，pe 降為pd或pg;pa降為pf。流量Qb減小到Qe;Qe減小到Qa;Qa變得更小。

(3) 如果Fn變化時(shí)，把擋風(fēng)板打開到某個(gè)固定位置，使管網(wǎng)阻力為Re，保持流量Qa不變，即Qa恒定。工作點(diǎn)A即壓力pa降為pg。

(4) 如果Fn變化時(shí)，把擋風(fēng)板打開到最大位置，使管網(wǎng)阻力為Rb，分別保持流量不變，即Qa、Qe、Qb恒定。工作點(diǎn)A、E即壓力pa 、pe也分別降為ph 、pc。Pb恒定不變。

(5)隨著頻率Fn的降低，當(dāng)管網(wǎng)阻力一定時(shí)(假設(shè)為Re)，變頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)的出口壓力逐漸降低為pd或pg，變頻后流量從Qe快速減少為Qa，工作點(diǎn)G的所需要的揚(yáng)程也隨著降低。而頻率增加時(shí)，風(fēng)機(jī)的出口壓力也上升，使流量Qa反而增加，直至到Qe。如果要繼續(xù)增加流量，此時(shí)必須把擋風(fēng)板全部打開，流量最大可以達(dá)到Qb，此時(shí)要防止工頻泵過載。

(6)變頻運(yùn)行時(shí)，頻率不能調(diào)的過低，因?yàn)檫^低的頻率運(yùn)行，將滿足不了工藝要求。