變頻器在鍋爐引風(fēng)機節能改造中的應用

1 概述

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(yè)，以及民用采暖中都占據著(zhù)重要的角色。根據生產(chǎn)負荷需求，鍋爐要隨時(shí)調整生產(chǎn)狀態(tài)，改變供熱量的多少。用戶(hù)在選配風(fēng)機時(shí)，都是根據工藝要求中出現的最大負荷來(lái)確定容量，所以存在著(zhù)“大馬拉小車(chē)”的現象。鍋爐的引風(fēng)機、鼓風(fēng)機和二次風(fēng)機的風(fēng)量是通過(guò)調節風(fēng)門(mén)大小來(lái)實(shí)現的，而用來(lái)帶動(dòng)風(fēng)機的電動(dòng)機的轉速是不可調節的，因此造成大量的調節損失和電能的浪費?；谶@種情況，本文提出采用變頻調速技術(shù)控制鍋爐引風(fēng)機電機，極大地改善了工藝操作人員工作條件，改善了風(fēng)機設備的起動(dòng)性能，實(shí)現了無(wú)級調速，可以節約35%左右的電能，從而達到了節能降耗、減少設備噪聲污染的目的。

2 問(wèn)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)機設備主要用于鍋爐燃燒系統、烘干系統、冷卻系統、通風(fēng)系統等場(chǎng)合，根據生產(chǎn)需要對爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標進(jìn)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(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度的大小來(lái)調整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風(fēng)門(mén)、擋板的節流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過(guò)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(fēng)機類(lèi)設備多數采用異步電動(dòng)機直接驅動(dòng)的方式運行，存在啟動(dòng)電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點(diǎn)。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現機械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護設備，時(shí)常出現泵損壞同時(shí)電機也被燒毀的現象。近年來(lái)，出于節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(shí)現高功能化等特點(diǎn)，因而采用變頻器驅動(dòng)的方案開(kāi)始逐步取代風(fēng)門(mén)、擋板、閥門(mén)的控制方案。

3 改造方案

通常工業(yè)鍋爐上的引風(fēng)機都是電機以定速運轉，再通過(guò)改變引風(fēng)機入口的擋板開(kāi)度來(lái)調節風(fēng)量。而風(fēng)機的最大特點(diǎn)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(lái)調節電機的轉速就可節約大量的電能。要提高引風(fēng)機電動(dòng)機的工作效率，節約電能，可以在引風(fēng)機電動(dòng)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(mǎn)足工作狀況的要求。實(shí)現這一目標的最佳調速裝置就是變頻器。為此，我們在我廠(chǎng)2#鍋爐引風(fēng)機上進(jìn)行了實(shí)踐。不必對原系統進(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，配用電抗器型號為CR4-280B。

在2# 鍋爐引風(fēng)機原電氣控制系統基礎上進(jìn)行電氣改造，拆除原進(jìn)線(xiàn)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(fēng)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(mǎn)足工藝要求。當工藝狀況需要時(shí)，讓電動(dòng)機高速運行以達到工藝要求;當工藝狀況允許時(shí)，使電動(dòng)機低速運轉節約電能。引風(fēng)機變頻器運行受鍋爐燃燒控制系統DCS 的控制。調節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(wàn)元對2#鍋爐引風(fēng)機設備進(jìn)行變頻調速節能改造，2# 鍋爐引風(fēng)機改造電氣原理圖如圖1 所示。

4 變頻調速的特點(diǎn)及節能分析

鍋爐引風(fēng)機電機在沒(méi)有實(shí)現變頻調速控制之前，一般采用“降壓起動(dòng)”，并且正常運行后，電動(dòng)機全壓、全速運行，而引風(fēng)機風(fēng)量的大小則通過(guò)風(fēng)門(mén)來(lái)調節。一般情況下，風(fēng)門(mén)的開(kāi)度為50%耀80%，電機只能是滿(mǎn)負荷運行，電動(dòng)機的工作效率很低，造成很大浪費。變頻調速技術(shù)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(guān)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(guò)改變電動(dòng)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(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。利用變頻調速技術(shù)，變頻器很好地解決了引風(fēng)機根據工況直接控制風(fēng)量的大小而滿(mǎn)足工況的要求, 變頻器是無(wú)級調速的，用變頻器改造風(fēng)機，具有以下特點(diǎn)：

1)起動(dòng)、停止平衡，無(wú)級調速，調速范圍大;

2)工作可靠，能長(cháng)期穩定運行;

3)操作簡(jiǎn)便，維護量小;

4)輸出特性可滿(mǎn)足風(fēng)機性能要求;

5)節能效果顯著(zhù)。

根據風(fēng)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(fēng)機轉速降低時(shí)，風(fēng)量減少，電機功率成立方比下降。

5 風(fēng)機類(lèi)負荷變頻調速節能原理

風(fēng)機是將電動(dòng)機的軸功率轉變?yōu)榱黧w壓力與流量的設備。過(guò)去很少采用轉速控制的方法，多是由鼠籠式異步電機拖動(dòng)進(jìn)行恒速運轉，當需要改變流量時(shí)，調節節流閥和擋板，這種方法雖然控制簡(jiǎn)單，但不節能，不經(jīng)濟，動(dòng)態(tài)跟蹤性能也很差。變頻調速節能是相對于閥門(mén)調節而言，采用變頻調速器后，將閥門(mén)全開(kāi)，通過(guò)改變電機電源頻率的方法來(lái)改變電機轉速。由流體力學(xué)可知，流量q 與轉速n 的一次方成正比，風(fēng)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=qe伊(n/ne)，h=he伊(n/ne)2，P=qe伊(n/ne)3，式中，qe為風(fēng)機的額定流量，he為風(fēng)機的額定壓力，qe 為風(fēng)機的額定功率，ne 為風(fēng)機的額定轉速。由上面的公式可知，調節風(fēng)機流量時(shí)，可通過(guò)轉速進(jìn)行調節，此時(shí)風(fēng)機軸輸出功率與轉速的立方成正比。

風(fēng)機流量、轉速、軸功率及電源頻率關(guān)系如表1 所列。

6 節能計算

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

1)改造前實(shí)測數據：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(shí)測數據：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)每年節省的電量：1 600 920原1 200 690=400 230 kW·h;節電率：400 230衣1 600 920=25%;

每年節約電費(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(fēng)機通過(guò)應用變頻調速技術(shù)后，改變了原有的操作方式，實(shí)現了遠程控制，能夠有效地適應鍋爐生產(chǎn)過(guò)程，使系統運行穩定，保持風(fēng)機高效運轉，電機實(shí)現了軟啟動(dòng)，無(wú)沖擊電流，設備故障率大大降低，維修費用大為減少。拖動(dòng)系統應用變頻調速技術(shù)，在大大節約電能的基礎上，使長(cháng)期輕載運行的引風(fēng)機工作在低轉速、低電壓的狀態(tài)下，這樣就使電機發(fā)熱少、溫升低，延長(cháng)了使用壽命。變頻調速技術(shù)也提高了功率因數，使電網(wǎng)損耗減少，效率提高，同時(shí)降低了風(fēng)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(guò)對變頻器在工業(yè)鍋爐上的應用進(jìn)行總結，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)節電降耗效果顯著(zhù)，操作簡(jiǎn)便，調節平衡，尤其與微機控制相聯(lián)更體現了優(yōu)越性，深受司爐工的歡迎。

2)平滑啟動(dòng)及電機轉速下降，機械磨損減小，故障率下降，減少了停機、停爐對生產(chǎn)的影響。

3)擋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 結語(yǔ)

鍋爐引風(fēng)機等風(fēng)機類(lèi)設備采用變頻調速技術(shù)實(shí)現節能運行是我國節能的一項重點(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)機類(lèi)設備驅動(dòng)控制場(chǎng)合取得了顯著(zhù)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(mǎn)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(gè)月就可收回全部投資。