變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用

王新亭,李慶紅

(中國平煤神馬能源化工集團(tuán) 平煤股份公司八礦，河南 平頂山 467000)

循環(huán)流化床鍋爐是一種重要的能源轉(zhuǎn)化設(shè)備,其主要特點(diǎn)是燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬、環(huán)保節(jié)能效果顯著[1].因此,在工礦企業(yè)及民用采暖中得以廣泛推廣應(yīng)用.在鍋爐運(yùn)行過程中，要隨時根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的變化來調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，改變供熱量的大小.而鍋爐負(fù)荷的調(diào)整過程，必然伴隨鼓風(fēng)量、引風(fēng)量及給水量等輔機(jī)參數(shù)的調(diào)整.但是，鍋爐配套的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)與給水泵是按照運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷選型的，一般采用電動機(jī)恒速拖動，運(yùn)行中通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、閥門的開度控制鼓風(fēng)量、引風(fēng)量和給水量(以下簡稱變閥調(diào)節(jié)).這樣，大量電能被消耗在克服風(fēng)門、閥門的阻力上，輔機(jī)電耗并未因風(fēng)量與水量的減少而降低，所以造成了節(jié)能爐型自身不節(jié)能的現(xiàn)狀.而采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)以及給水泵轉(zhuǎn)速的方式，進(jìn)行風(fēng)量和水量的調(diào)節(jié)(以下簡稱變頻調(diào)節(jié))，具有顯著的節(jié)能效果.

1 變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能原理

電動機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入電源的頻率成正比，是變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理.即：

N= 60f(1-s) /P

公式中N、f、s、P分別表示電動機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入電源頻率、異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率和電機(jī)磁極對數(shù)，通過改變輸入電源的頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的.變頻調(diào)速技術(shù)就是基于上述原理采用集交—直—交電源變頻技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電腦控制技術(shù)于一體的綜合性電控技術(shù)，這種技術(shù)在理論上可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，啟停平穩(wěn)，工作可靠，特別是在平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載的調(diào)速方面節(jié)能效果顯著[2].

鍋爐配套的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和給水泵都屬于平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載.由流體力學(xué)原理可知，這類負(fù)載在使用電動機(jī)拖動的情況下，軸功率P與風(fēng)量(流量)Q、風(fēng)壓(揚(yáng)程)H的關(guān)系可表示為：

P∝Q×H

當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速由N1變化到N2時，Q、H、P與轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系是：

即風(fēng)量(流量)與轉(zhuǎn)速的變化成正比，風(fēng)壓(揚(yáng)程)與轉(zhuǎn)速變化的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速變化的三次方成正比[3].這是平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載調(diào)速節(jié)能的基本原理.

圖1為風(fēng)機(jī)的性能曲線和運(yùn)行工況點(diǎn)變化示意圖.圖中n1、n2表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為N1、N2時的Q—H曲線，w1、w2為風(fēng)門開度變化前后的管網(wǎng)特性曲線.現(xiàn)根據(jù)此圖分析P與Q、H的關(guān)系以及采用變頻調(diào)速控制的節(jié)能效果.

當(dāng)鍋爐負(fù)荷減小時，需將風(fēng)量由Q1減為Q2，可以通過變閥調(diào)節(jié)或變頻調(diào)節(jié)兩種途徑來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的減少.如果采用變閥調(diào)節(jié)的辦法，那么風(fēng)機(jī)性能曲線不變，管網(wǎng)特性曲線由w1上移至w2，系統(tǒng)工況點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移至B點(diǎn)，風(fēng)機(jī)所需軸功率由P1∝Q1×H1變化為P2∝Q2×H2，由圖可見軸功率變化不大；如果采用變頻調(diào)節(jié)的方法，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由N1降為N2,其管網(wǎng)特性曲線不變，但風(fēng)機(jī)特性曲線由n1下移至n2，系統(tǒng)工況點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移至C點(diǎn)，所需軸功率P3∝Q2×HB.從理論上分析，節(jié)約的軸功率Pjy∝Q2×(H2-HB).

圖1 風(fēng)機(jī)的性能曲線和運(yùn)行工況點(diǎn)變化示意圖Fig.1 The performance curves of fan and the operating condition points

2 改造方案

2.1 鍋爐及輔機(jī)的基本情況

平煤股份公司八礦于2005年安裝投運(yùn)的一臺SHXF20-1.25型循環(huán)流化床鍋爐，額定蒸發(fā)量為20 t/h,配備的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵性能參數(shù)見表1.

表1 鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵性能參數(shù)Tab.1 Parameters in blower, induced fan, and the water pump

在實(shí)際運(yùn)行過程中，根據(jù)負(fù)荷變化，鍋爐實(shí)際蒸發(fā)量往往需要在22～16 t/h頻繁調(diào)節(jié)(冬季供暖防凍洗浴22 t/h，供暖防凍20 t/h，夏季洗浴烘干16 t/h).而調(diào)節(jié)鍋爐蒸發(fā)量，必須先調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵的參數(shù).根據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，在常用的蒸發(fā)量范圍內(nèi)，鼓風(fēng)量、引風(fēng)量、給水量數(shù)值見表2.

表2 鼓風(fēng)量、引風(fēng)量、給水量運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.2 The operating data of the blowing quantity, inducing quantity and water quantity

2.2 變頻器選型及控制回路改造

根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵拖動電機(jī)額定功率進(jìn)行變頻器的選型，并按照保證系統(tǒng)安全工作、滿足鍋爐不同負(fù)荷下輔機(jī)工作參數(shù)要求的條件對變頻器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，具體情況見表3.

表3 變頻器的選型Tab.3 The selection of the frequency converters

變頻器安裝于專用配電柜中，電控系統(tǒng)在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造.只需拆除原交流接觸器，安裝中間繼電器和電抗濾波器，并將原有的電動執(zhí)行器和電動調(diào)節(jié)器(控制風(fēng)門、閥門開度)更換為調(diào)節(jié)頻率的電位器和頻率顯示儀表即可.由于風(fēng)機(jī)水泵屬于平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時需要的軸功率顯著下降，拖動電機(jī)負(fù)荷較小，發(fā)熱量也較少.因此，冷卻風(fēng)扇與電機(jī)轉(zhuǎn)子同速運(yùn)轉(zhuǎn)能夠保證電機(jī)散熱，不需專門配置變頻電機(jī).

變頻改造后可保證設(shè)備高效運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動，無沖擊電流，設(shè)備故障率也大大降低，維修費(fèi)用大為減少.變頻器自我檢測、故障診斷、保護(hù)功能齊全，可有效地防止事故擴(kuò)大化.在節(jié)電的同時，長期輕載運(yùn)行的設(shè)備工作在低轉(zhuǎn)速、低電壓的狀態(tài)下，這樣就使電機(jī)發(fā)熱少、溫升低，延長了使用壽命，降低了設(shè)備噪音，改善了生產(chǎn)環(huán)境，克服了采用異步電動機(jī)直接驅(qū)動、變閥調(diào)節(jié)流量時，電機(jī)啟動電流大、設(shè)備機(jī)械沖擊大、電氣保護(hù)特性差等缺點(diǎn).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.在鍋爐工況改變時，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率即可滿足工況調(diào)節(jié)的要求.

3 節(jié)能情況統(tǒng)計(jì)

3.1 改造前鍋爐輔機(jī)電耗統(tǒng)計(jì)

輔機(jī)變頻改造前，采用傳統(tǒng)的變閥調(diào)節(jié)進(jìn)行風(fēng)量和流量的調(diào)整，在鍋爐不同負(fù)荷下風(fēng)機(jī)、水泵功率消耗的實(shí)測情況見表4.

表4 改造前輔機(jī)電耗統(tǒng)計(jì)Tab.4 The power consumption of auxiliary machine and pump before innovation

3.2 變頻調(diào)速改造后鍋爐輔機(jī)電耗統(tǒng)計(jì)

進(jìn)行輔機(jī)變頻調(diào)速改造后，鍋爐不同負(fù)荷下風(fēng)機(jī)、水泵功率消耗實(shí)測情況見表5.

表5 改造后輔機(jī)電耗統(tǒng)計(jì)Tab.5 The power consumption of auxiliary machine after innovation

3.3 節(jié)電數(shù)據(jù)計(jì)算

鍋爐在采暖期的4個月內(nèi)，在用于礦井采暖防凍和職工洗浴時以22 t/h的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，每天運(yùn)行9 h，每年運(yùn)行1 080 h；只用于礦井采暖防凍時以20 t/h的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，每天運(yùn)行15 h，每年運(yùn)行1 800 h；在非采暖期的8個月內(nèi)，在用于職工洗浴和衣物烘干時以16 t/h的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，每天運(yùn)行7.5 h，每年運(yùn)行1 800 h.根據(jù)鍋爐在不同負(fù)荷下、輔機(jī)以不同調(diào)節(jié)方式運(yùn)轉(zhuǎn)時的功率消耗計(jì)算節(jié)電量，具體情況見表6.

表6 改造前后輔機(jī)節(jié)電情況Tab.6 The power saving of the auxiliary machine before and after the innovation

按照電價0.55元/度計(jì)算，年度節(jié)約電費(fèi)：

(24 948+90 900+119 340)MJ×0.55元/MJ≈13萬元[4]

4 結(jié) 語

鍋爐風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行是我國正在重點(diǎn)推廣的一項(xiàng)技術(shù)，受到了國家政府的普遍重視.實(shí)踐證明，變頻器用于風(fēng)機(jī)水泵類設(shè)備的驅(qū)動與控制取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式.它既能提高設(shè)備效率，又能滿足生產(chǎn)工藝要求，并且因此大大減少了設(shè)備維護(hù)和維修的費(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.

參考文獻(xiàn):

[1] 潘效軍.鍋爐改造技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 何超.交流變頻調(diào)速技術(shù)[M].北京：中國航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3] 龐麗君.鍋爐燃燒技術(shù)及設(shè)備[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[4] 方大千.節(jié)能計(jì)算手冊[M].北京: 電力工業(yè)出版社,2006.