船用鍋爐風(fēng)機(jī)、燃油泵的變頻節(jié)能應(yīng)用研究

趙富國 王慶 譚鵬 王超（中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰，214431）

船用鍋爐風(fēng)機(jī)、燃油泵的變頻節(jié)能應(yīng)用研究

趙富國 王慶 譚鵬 王超
（中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰，214431）

為了改善船用鍋爐風(fēng)機(jī)、燃油泵的能源浪費(fèi)現(xiàn)狀，使其達(dá)到節(jié)能降耗，本文提出利用變頻器對(duì)鍋爐風(fēng)機(jī)、燃油泵的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行平滑啟動(dòng)控制，闡明了變頻器的工作原理，給出電機(jī)相關(guān)參數(shù)與變頻器的匹配設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出兩大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和主要的運(yùn)行方式，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變頻調(diào)速構(gòu)成的兩大控制系統(tǒng)方案，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高了系統(tǒng)自動(dòng)化，降低了航運(yùn)成本，經(jīng)濟(jì)效益凸顯。

船用；變頻器；鍋爐鼓風(fēng)機(jī)；燃油泵；自動(dòng)控制系統(tǒng)

近年來，由于變頻調(diào)速器易操作、免維護(hù)、控制精度高，并且可以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，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。某船使用的2臺(tái)32 T/H燃油鍋爐在點(diǎn)火、熄火及運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、燃油泵進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，以滿足鍋爐汽輪機(jī)的用汽工藝要求。由于鍋爐的鼓風(fēng)機(jī)、燃油泵電機(jī)均采用簡(jiǎn)單的兩級(jí)調(diào)速，僅靠鼓風(fēng)機(jī)擋風(fēng)板及薄膜調(diào)節(jié)閥等手段進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此種狀態(tài)下，大量的電能消耗在風(fēng)門檔板阻力和燃油循環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，造成風(fēng)機(jī)、燃油泵多數(shù)時(shí)間處于低效運(yùn)行狀態(tài)。因此，采用變頻技術(shù)是降低鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、燃油泵能耗的最有效途徑。

1 設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 設(shè)備組成

某船鍋爐鼓風(fēng)機(jī)由上海電機(jī)廠生產(chǎn)，電機(jī)型號(hào)是JD，功率是180/75/30 kw/h ，轉(zhuǎn)速為1475/985/725r/ min，定子：電壓380V，電流322/157/62A。其自動(dòng)控制系統(tǒng)是由壓縮空氣作為控制動(dòng)力，該空氣壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)共有三套，每臺(tái)鍋爐對(duì)應(yīng)一套，燃油泵自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一套。

1.2 工作原理

鍋爐在各種穩(wěn)定工況或變工況運(yùn)行時(shí)，要求自動(dòng)供給鍋爐爐膛供油量和鼓風(fēng)量，并維持風(fēng)油比值關(guān)系，以保證爐膛實(shí)現(xiàn)完全燃燒。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，鍋爐設(shè)計(jì)了燃燒調(diào)節(jié)裝置，該裝置是由五個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。而自動(dòng)供給爐膛供油量和鼓風(fēng)量的訊號(hào)是根據(jù)鍋爐過熱器出口主蒸汽壓力值，并通過變送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的氣壓訊號(hào)，該氣壓訊號(hào)輸入到氣動(dòng)四針指示調(diào)節(jié)儀中與給定訊號(hào)相比較，輸出對(duì)應(yīng)于該工況的氣壓訊號(hào)，此氣壓訊號(hào)分別送入鍋爐燃油壓力和空氣壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的氣動(dòng)參數(shù)定值器中，作為鼓風(fēng)機(jī)和燃油壓力四針指示調(diào)節(jié)儀的給定值。并與變送器測(cè)量的風(fēng)壓、油壓值輸入到氣動(dòng)四針指示調(diào)節(jié)儀中進(jìn)行比較，兩者相互平衡，從儀表中輸出與各運(yùn)行工況相應(yīng)的氣壓訊號(hào)，作用在長行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥上，以調(diào)節(jié)鍋爐鼓風(fēng)機(jī)擋板位置與燃油薄膜調(diào)節(jié)閥的開度，使鍋爐的空氣壓力、燃油壓力保持與運(yùn)行工況相適應(yīng)。

圖1 風(fēng)機(jī)、油泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成圖

1.3 當(dāng)前設(shè)備存在的不足

目前，風(fēng)機(jī)主要是以調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板開度的大小來實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)量多少的控制。這種調(diào)節(jié)方式存在一定的缺陷，其結(jié)果是不論負(fù)荷的需求大小，風(fēng)機(jī)都只能進(jìn)行兩級(jí)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而兩級(jí)調(diào)速是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足負(fù)荷變化需要的，特別是在前進(jìn)二經(jīng)濟(jì)航速，每臺(tái)爐投入兩只或三只油槍運(yùn)行時(shí)，一級(jí)調(diào)速根本滿足不了爐膛風(fēng)量的需求，而二級(jí)調(diào)速又出現(xiàn)風(fēng)量過剩不能充分利用的局面。同樣在一只油槍投入工作時(shí)，一級(jí)調(diào)速產(chǎn)生的風(fēng)量也是不能充分利用的。而燃油泵的工作方式是利用薄膜調(diào)節(jié)閥的開度大小來控制進(jìn)油量的多少，并通過回油管路系統(tǒng)使多余的油量、壓力回流至油艙。這種工作方式亦是典型的能量循環(huán)消耗，白白浪費(fèi)著多能源［1］。

從以上風(fēng)機(jī)、油泵的工作過程可以看出，設(shè)備運(yùn)行過程中，不僅設(shè)備的控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗，從而導(dǎo)致船舶航運(yùn)成本增加，縮短設(shè)備使用壽命，并使設(shè)備維修、維護(hù)難度、費(fèi)用大大增加。

2 變頻調(diào)速的方案設(shè)計(jì)

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)原理［2］

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，主要應(yīng)用在兩個(gè)領(lǐng)域一個(gè)是供電電源，另一個(gè)是電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。變頻器主要由整流器和逆變器兩大部分組成。整流器先將頻率為50Hz的三相交流電變換為直流電，再由逆變器變換為頻率可調(diào)、電壓有效值也可調(diào)的三相交流電，供給三相鼠籠式電動(dòng)機(jī)。由此可得到電動(dòng)機(jī)的無極調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為［3］：

根據(jù)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：n=（60f/p）（1-s）可知：同步電機(jī)同轉(zhuǎn)差率s=0及轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)恒定，僅能改變頻率來調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)可改變頻率和轉(zhuǎn)差率來實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的，變頻器供給電機(jī)電能必須具備調(diào)頻調(diào)壓兩個(gè)功能，使電源電壓與頻率成正比變化，以保證V/F=常數(shù)，才能維持需要的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性［4］，從而改善鍋爐送風(fēng)、燃油流量控制，達(dá)到節(jié)能30%以上的目標(biāo)。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)船用鍋爐工藝要求，變頻器選用美國艾默生生產(chǎn)的TD2000G（EV2000）系列通用變頻器，具有智能功率模塊IPM、電機(jī)控制專用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP和可編門陣列CPLD，檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的再啟動(dòng)功能，特別適合對(duì)各種風(fēng)機(jī)平滑啟動(dòng)；其中文液晶操作面板，模塊化的設(shè)計(jì)，更加方便維護(hù)。輸入額定電壓380 V，頻率50Hz，輸入電壓容許在額定電壓的20%上下波動(dòng)，頻率±5%；輸出電壓0～380 V，輸出頻率0～50Hz，啟動(dòng)頻率0. 1～50Hz；內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，根據(jù)負(fù)荷變化情況，V/F線能夠自動(dòng)協(xié)調(diào)變換，可較為容易的搭建自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

變頻器上的速度設(shè)定訊號(hào)來自控制系統(tǒng)四針指示調(diào)節(jié)儀的輸出控制訊號(hào)，經(jīng)過A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量輸出值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，該數(shù)字量作為變頻器的控制訊號(hào)去調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)。通過正確設(shè)定變頻器的相關(guān)參數(shù)，能夠使電動(dòng)機(jī)的工作動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)控要求，并根據(jù)負(fù)荷的高低變化，自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)、燃油泵的轉(zhuǎn)速，及時(shí)調(diào)整爐膛的風(fēng)壓與進(jìn)油量的最佳比值。同時(shí)，根據(jù)正確設(shè)定變頻調(diào)速器的相關(guān)保護(hù)參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器和電動(dòng)機(jī)的安全保護(hù)。其風(fēng)機(jī)、油泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成如圖1所示.

表1 風(fēng)機(jī)改造前后的參數(shù)對(duì)照

3 變頻技術(shù)應(yīng)用后的效益分析

⑴由于鍋爐鼓風(fēng)機(jī)負(fù)載N-軸功率與Q-流量、P-壓力成正比，而流量與n-轉(zhuǎn)速成反比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，因此，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比：

P=（n/pe）3

由此可見，調(diào)節(jié)鍋爐鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在其稍有下降時(shí)，可大幅度降低鼓風(fēng)機(jī)的輸出功率。電機(jī)的功率損耗降低，必然能夠節(jié)約大量的電能。

我們采取中間值來進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用變頻調(diào)速后，運(yùn)行電流由原來的157 A降為121A，電壓由380 V降為258 V。按每年運(yùn)行200天進(jìn)行計(jì)算，其效益結(jié)果（見表1）。

⑵改造前燃油消耗量為2064kg/h，改造后用油量下降為1878kg/h，某船多年來一直使

用0號(hào)重油，2014年3月?lián)珖鲝S家的報(bào)價(jià)，依據(jù)不同型號(hào)的重油每噸價(jià)格在3600到4600元/噸，在此每噸重油費(fèi)用按3900元/T計(jì)算，年可節(jié)約油料采購費(fèi)用為：

（2064-1878）×24×200×3900=348.19（萬元）。

⑶上述兩項(xiàng)合計(jì)節(jié)約費(fèi)用為：18.86+348.19=367.05萬元。

⑷風(fēng)機(jī)、燃油泵電動(dòng)機(jī)所用變頻器具體型號(hào)為兩臺(tái)TD2000-4T2000G和一臺(tái)TD2000-4T0550G型變頻器，總價(jià)共計(jì)為20.5萬元，很顯然當(dāng)年即可產(chǎn)生較高效益。

4 結(jié)論

本文通過變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)、油泵上的應(yīng)用，使電機(jī)啟動(dòng)電流平滑過渡，實(shí)現(xiàn)了軟啟/停，消除了機(jī)械沖擊和電流對(duì)船舶電網(wǎng)的沖擊，且能根據(jù)負(fù)荷的變化狀況，自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)、燃油泵的轉(zhuǎn)速，保持爐膛處于微負(fù)壓狀態(tài)，使風(fēng)壓、油壓處于最佳比例值，形成良好的控制，使的電機(jī)功率小，燃油消耗少，熱效率高，充分利用能源，減少了電機(jī)、風(fēng)機(jī)軸承磨損，延長了風(fēng)機(jī)的使用壽命，降低了維修工作量，增強(qiáng)了設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性，提高了經(jīng)濟(jì)效益［5］，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

（References）

［1］安晉華.淺析變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)泵類應(yīng)用中的節(jié)能效果［J］.山西能源與節(jié)能，2009，4（2）∶36-37.

［2］王慶豐，李國安，苗國寬. 鍋爐風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)應(yīng)用實(shí)踐［J］.節(jié)能技術(shù).2004，22（1）∶57-58.

［3］白君.交流變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能計(jì)算方法探析［J］.能源與節(jié)能，2012，12（12）∶51-52.

［4］楊德印，王道川，樊勝民，等.電動(dòng)機(jī)的控制與變頻調(diào)速原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011∶201-205.

［5］李國平，胡鳴.變頻技術(shù)在鍋爐風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2007（4）∶28-30.

趙富國（1974-），男，本科，高級(jí)技師，主要研究方向：船舶動(dòng)力系統(tǒng)。