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    变频器在锅炉引风机节能改造中的应用
    2009-11-30 淄博昱川 淄博昱川
    摘要 分析了锅炉引风机的工作状态,讨论了变频器用于引风机进行变频调速的工作原理,介绍了一个具体案例的改造效果及节能效益。
    关键字 引风机;变频器;调速;节能



    Abstract
    Keywords


    1 概述
    锅炉作为能源转换的重要设备,在电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等行业,以及民用采暖中都占据着重要的角色。根据生产负荷需求,锅炉要随时调整生产状态,改变供热量的多少。用户在选配风机时,都是根据工艺要求中出现的最大负荷来确定容量,所以存在着“大马拉小车”的现象。锅炉的引风机、鼓风机和二次风机的风量是通过调节风门大小来实现的,而用来带动风机的电动机的转速是不可调节的,因此造成大量的调节损失和电能的浪费。基于这种情况,本文提出采用变频调速技术控制锅炉引风机电机,极大地改善了工艺操作人员工作条件,改善了风机设备的起动性能,实现了无级调速,可以节约35%左右的电能,从而达到了节能降耗、减少设备噪声污染的目的。
    2 问题的提出
    通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合,根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样,不论生产的需求大小,风机都要全速运转,而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中,不仅控制精度受到限制,而且还造成大量的能源浪费和设备损耗,从而导致生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用高居不下。风机类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行,存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命,而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备,时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。近年来,出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求,利用变频器易操作、免维护、控制精度高,并可以实现高功能化等特点,因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。
    3 改造方案
    通常工业锅炉上的引风机都是电机以定速运转,再通过改变引风机入口的挡板开度来调节风量。而风机的最大特点是负载转矩与转速的平方成正比,而轴功率与转速的立方成正比,因此如将电机的定速运转改为根据需要的流量来调节电机的转速就可节约大量的电能。要提高引风机电动机的工作效率,节约电能,可以在引风机电动机上装上调速装置,根据工作的情况调节调速器装置的速度可以满足工作状况的要求。实现这一目标的最佳调速装置就是变频器。为此,我们在我厂2#锅炉引风机上进行了实践。不必对原系统进行大改动,仅增加一变频器柜,我们选用的变频器为富士FRN280P11-4CX,额定容量396 kVA,额定输出电流520 A,配用电抗器型号为CR4-280B。
    在2# 锅炉引风机原电气控制系统基础上进行电气改造,拆除原进线交流接触器,增加中间继电器,其它部分均不变。
    因为变频器在风机改造方面得到广泛的应用,改造后,可根据工艺状况需要而调节变频器的输出频率,以满足工艺要求。当工艺状况需要时,让电动机高速运行以达到工艺要求;当工艺状况允许时,使电动机低速运转节约电能。引风机变频器运行受锅炉燃烧控制系统DCS 的控制。调节DCS 4耀20 mA电流输入信号,控制变频器的输出频率,以达到稳定工况及提高锅炉热效率和节能之目的。2006 年4 月一次性投资30 万元对2#锅炉引风机设备进行变频调速节能改造,2# 锅炉引风机改造电气原理图如图1 所示。



    4 变频调速的特点及节能分析
    锅炉引风机电机在没有实现变频调速控制之前,一般采用“降压起动”,并且正常运行后,电动机全压、全速运行,而引风机风量的大小则通过风门来调节。一般情况下,风门的开度为50%耀80%,电机只能是满负荷运行,电动机的工作效率很低,造成很大浪费。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60f(1-s)/p,(式中n、f、s、p 分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数);通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术、电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。利用变频调速技术,变频器很好地解决了引风机根据工况直接控制风量的大小而满足工况的要求, 变频器是无级调速的,用变频器改造风机,具有以下特点:
    1)起动、停止平衡,无级调速,调速范围大;
    2)工作可靠,能长期稳定运行;
    3)操作简便,维护量小;
    4)输出特性可满足风机性能要求;
    5)节能效果显著。
    根据风机的流量变化与转速成正比,压力变化与转速成正比,而功率变化与转速变化立方成正比。因此,当风机转速降低时,风量减少,电机功率成立方比下降。
    5 风机类负荷变频调速节能原理
    风机是将电动机的轴功率转变为流体压力与流量的设备。过去很少采用转速控制的方法,多是由鼠笼式异步电机拖动进行恒速运转,当需要改变流量时,调节节流阀和挡板,这种方法虽然控制简单,但不节能,不经济,动态跟踪性能也很差。变频调速节能是相对于阀门调节而言,采用变频调速器后,将阀门全开,通过改变电机电源频率的方法来改变电机转速。由流体力学可知,流量q 与转速n 的一次方成正比,风压h 与转速n的平方成正比,功率P与转速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为风机的额定流量,he为风机的额定压力,qe 为风机的额定功率,ne 为风机的额定转速。由上面的公式可知,调节风机流量时,可通过转速进行调节,此时风机轴输出功率与转速的立方成正比。
    风机流量、转速、轴功率及电源频率关系如表1 所列。



    6 节能计算
    2# 锅炉引风机电机(Y355L1-6,Pe=250 kW,Ue=380 V,Ie=458 A)改造前、后节能效果计算情况如下。
    1)改造前实测数据:U1=380 V,I1=412 A,cos渍1 =0.82,P1 =1.732UIcos渍1 =1.732 伊380 伊412 伊
    0.82=222.4 kW。
    改造前每年耗电量(全年运行300 天计)为:222.35 kW伊24伊300=1 600 920 kW·h。
    2)改造后实测数据:U2=380 V,I2=253.4 A,cos渍2=1;P2=1.732伊380伊253.4伊1=166.7 kW·h;
    改造后每年耗电量(全年运行300 天计)为:166.7 kW伊24伊300=1 200 690 kW·h。
    3)每年节省的电量:1 600 920原1 200 690=400 230 kW·h;节电率:400 230衣1 600 920=25%;
    每年节约电费(按0.55 元/kW·h 计):400 230伊0.55=2 201 265元。
    7 改造效果
    2# 锅炉引风机通过应用变频调速技术后,改变了原有的操作方式,实现了远程控制,能够有效地适应锅炉生产过程,使系统运行稳定,保持风机高效运转,电机实现了软启动,无冲击电流,设备故障率大大降低,维修费用大为减少。拖动系统应用变频调速技术,在大大节约电能的基础上,使长期轻载运行的引风机工作在低转速、低电压的状态下,这样就使电机发热少、温升低,延长了使用寿命。变频调速技术也提高了功率因数,使电网损耗减少,效率提高,同时降低了风机噪音,改善了生产环境。另外变频器自我检测、故障诊断、保护功能齐全,可有效地防止事故扩大化。
    通过对变频器在工业锅炉上的应用进行总结,具有以下优点。
    1)节电降耗效果显着,操作简便,调节平衡,尤其与微机控制相联更体现了优越性,深受司炉工的欢迎。
    2)平滑启动及电机转速下降,机械磨损减小,故障率下降,减少了停机、停炉对生产的影响。
    3)挡板和调节阀的机械磨损、卡死等故障不复存在了,大大减少了设备维护、维修费用。
    8 结语
    锅炉引风机等风机类设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术,受到国家政府的普遍重视,实践证明,变频器用于风机类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果,是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率,又满足了生产工艺要求,并且因此大大减少了设备维护、维修费用,还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显,只需要大约16 个月就可收回全部投资。



    作者简介:

    张庆忠(1973-),男,毕业于山东科技大学机械电子系机电一体化专业,电气工程师,现工作于兖矿鲁南化肥厂电气分厂,主要从事化工电气设备的技术管理工作。

    参考文献:

    [1] 方大千主编. 节能计算手册[M]. 北京:电力工业出版社,2006.
    [2] 富士电机. P11系列富士变频器操作说明书[Z].