變頻調(diào)速在海上平臺(tái)風(fēng)機(jī)節(jié)能降噪中的應(yīng)用

鄒 菁，張海榮

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

我國(guó)大量使用的軸流風(fēng)機(jī)普遍存在著效率低、噪聲高的缺點(diǎn)。目前經(jīng)常采用加裝消聲器來(lái)降低噪聲；這不僅增加了投資成本而且在風(fēng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行中由于消聲器的壓力損失而造成能源損耗，這對(duì)節(jié)約能源很不利[1]；尤其海洋石油平臺(tái)，電力來(lái)源單一且稀缺，且平臺(tái)空間有限另外增加降噪設(shè)備顯然不現(xiàn)實(shí)。因而從風(fēng)機(jī)本身出發(fā)進(jìn)行節(jié)能降噪才是最有效的途徑。實(shí)踐表明，風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行控制，不但運(yùn)行管理方便，而且有利于節(jié)能降噪[2]。

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)的一個(gè)發(fā)展方向[3]。變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)速精確、調(diào)速范圍廣泛，而且變頻技術(shù)在節(jié)電節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)是其他交流調(diào)速所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的[4]。所以，將固頻控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)改為變頻器控制，既保持了原電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠耐用，又能達(dá)到節(jié)能降噪的顯著，是電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能的理想方法[3]。

1 變頻調(diào)速技術(shù)及節(jié)能原理

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)的主要設(shè)備就是變頻器。變頻器（Variablefrequency Drive，VFD）的作用是將交流電源的固定頻率和電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)可變的頻率和電壓以便驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨頻率的改變而線性變化。為了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制，在電機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持電壓與頻率比的恒定十分重要，即要使V/f正比于Φ（常數(shù)），其中，V為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電機(jī)頻率，Φ為電機(jī)磁通量[5]。

變頻器通過(guò)改變電機(jī)頻率而達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速的目的。頻率能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是作為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備[6]。因此通過(guò)變頻器改變電機(jī)頻率可以實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

1.2 變頻調(diào)速節(jié)能原理

根據(jù)流體機(jī)械的公式有：Q2=Q1（n2/n1），H2=H1（n2/n1）2，P2=P1（n2/n1）3，即泵或風(fēng)機(jī)流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需風(fēng)量下降80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，而軸功率降為51%；當(dāng)所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的50%時(shí)，而軸功率降為13%[7]。

變頻器的變頻調(diào)速是通過(guò)調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)的，因此變頻調(diào)速是風(fēng)機(jī)節(jié)能的最佳方案。當(dāng)工頻情況下的頻率是50 Hz，如果使用的頻率是40 Hz，也就是頻率下降至0.8，則電機(jī)轉(zhuǎn)速下降至原額定轉(zhuǎn)速的0.8，下降的幅度與頻率下降的幅度成一次方程式關(guān)系，也就是線性關(guān)系，而且風(fēng)機(jī)的風(fēng)量下降也為額定風(fēng)量的0.8。但風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓下降比例則變化大了，成二次方比例下降，即風(fēng)壓下降為0.8×0.8=0.64，風(fēng)壓會(huì)變?yōu)轭~定風(fēng)壓的0.64，下降了36%。至于輸出功率，則成三次方比例關(guān)系即0.8×0.8×0.8=0.512，功率下降了48.8%，風(fēng)量?jī)H下降了20%，顯然通過(guò)降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，節(jié)能效果非常明顯，節(jié)能原理如圖1所示[3]，其中，n1為風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的特性曲線，n2為風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行在n2轉(zhuǎn)速時(shí)的特性曲線，R1為風(fēng)機(jī)管路阻力最小時(shí)的阻力特性曲線，R2為風(fēng)機(jī)管路阻力增大到某一數(shù)組時(shí)的阻力特性曲線。

圖1曲線原理說(shuō)明，假設(shè)有風(fēng)機(jī)正按特性曲線R1運(yùn)行，此刻其工況點(diǎn)為A，流量和壓力分別為Q1和Pl，此時(shí)風(fēng)機(jī)所需的功率就等于APlOQ1所圍成的四邊形的面積。由于運(yùn)行工況需要，將這臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量從Q1減少到Q2時(shí)，如果通過(guò)減小風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，則風(fēng)道運(yùn)行管網(wǎng)管道阻力會(huì)增加，這將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)移到特性曲線R2上的B點(diǎn)位置。由圖可知，風(fēng)機(jī)雖然實(shí)現(xiàn)了風(fēng)量下降，風(fēng)壓卻增大到P2位置，此時(shí)風(fēng)機(jī)所需的功率等于BP2OQ2所圍成四邊形的面積。由圖1可知，風(fēng)機(jī)所需的功率有所增加。這種運(yùn)行方式雖然容易實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)量但卻不節(jié)能。如果運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)，將該臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速由n1下降至n2，同時(shí)保持風(fēng)門(mén)開(kāi)度不變，此時(shí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)將由A點(diǎn)移到C點(diǎn)，流量保持Q2不變，由圖可知此時(shí)風(fēng)壓由Pl下降至P3，此時(shí)風(fēng)機(jī)所需的功率就等于CP3OQ2的所圍成四邊形的面積，顯然風(fēng)機(jī)按照此種方式運(yùn)行，節(jié)能效果非常明顯。

圖1 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓——風(fēng)量特性曲線

2 變頻調(diào)速降噪原理

海洋石油平臺(tái)風(fēng)機(jī)噪聲，包括機(jī)械噪聲（風(fēng)機(jī)本體、電機(jī)，軸承振動(dòng)等的噪聲）和空氣動(dòng)力性噪聲。其中以空氣動(dòng)力性噪聲為主，其聲壓通常高于機(jī)械噪聲10 dB以上，它通過(guò)通風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口向周圍空氣傳播[8]。

風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲等2部分組成。研究表明，風(fēng)機(jī)的這兩類噪聲中，旋轉(zhuǎn)噪聲與葉輪的圓周速度的10次方成比例，渦流噪聲與葉輪圓周速度的6次方（或5次方）成比例。可見(jiàn)，在風(fēng)機(jī)直徑一定的情況下，葉輪的轉(zhuǎn)速是影響軸流風(fēng)扇噪聲的重要因素，即就是轉(zhuǎn)速越高噪聲越大[9]。

因此，通過(guò)變頻調(diào)速器在不影響使用效果條件下適當(dāng)降低通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，便成為海洋石油平臺(tái)風(fēng)機(jī)降噪的重要方法。

3 變頻調(diào)速節(jié)能降噪改造應(yīng)用實(shí)例

3.1 改造前存在的問(wèn)題

某平臺(tái)變壓器間共有2組6臺(tái)7.5 kW軸流風(fēng)機(jī)，3臺(tái)進(jìn)風(fēng)機(jī)3臺(tái)出風(fēng)機(jī)，工作模式為4用2備，功率為30 kW，保證變壓器間通風(fēng)換氣。但變壓器間上方為員工生活區(qū)和辦公區(qū)，風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生的噪聲在啟動(dòng)4臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)，該區(qū)域噪聲為75 dB（關(guān)門(mén)），超過(guò)平臺(tái)生活樓居住環(huán)境對(duì)噪聲控制最低要求。

同時(shí)，這6臺(tái)風(fēng)機(jī)采用異步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，此種方式存在著一定的缺陷和問(wèn)題，例如電氣保護(hù)的特性較差、所啟動(dòng)的電流過(guò)大、產(chǎn)生機(jī)械沖擊，同時(shí)由于風(fēng)機(jī)沒(méi)有較高的運(yùn)行效率從而造成很大程度的電能浪費(fèi)情況等諸多缺陷。

3.2 制定改造方案

如前所述，風(fēng)機(jī)的電機(jī)采用變頻調(diào)速控制，不僅節(jié)省電能而且可以降低噪聲，同時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性得到提高。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，保留風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將原電機(jī)由固頻改為變頻控制，僅需在原設(shè)備基礎(chǔ)上增加變頻柜和變頻器即可。考慮到整體投資及系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性，對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的改造采用施耐德交流變頻器ATV61為核心的控制系統(tǒng)，變頻柜采用該平臺(tái)淘汰下來(lái)的廢舊控制柜即可完成改造。

3.3 改造后效果

某平臺(tái)變壓器間風(fēng)機(jī)增加變頻控制系統(tǒng)后經(jīng)過(guò)6個(gè)月的生產(chǎn)運(yùn)行，此次改造各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到節(jié)能降噪改造要求。

3.3.1 降低噪聲效果

某平臺(tái)變壓器間風(fēng)機(jī)在采用40 Hz運(yùn)行后，變壓間通風(fēng)散熱的效果與采用工頻50 Hz散熱效果基本相同，生活樓噪聲卻降低到50 dB，達(dá)到員工生活區(qū)和辦公區(qū)噪聲不超過(guò)55 dB的標(biāo)準(zhǔn)要求，這對(duì)改善員工休息和工作環(huán)境具有極大的效益。

3.3.2 節(jié)能降耗效果

某平臺(tái)變壓間風(fēng)機(jī)按照4用2備工作模式，風(fēng)機(jī)采用40 Hz頻率運(yùn)行后，相比工頻50 Hz運(yùn)行功率減少14.6 kW，每年節(jié)能電能12.8萬(wàn)kW·h；這對(duì)海洋平臺(tái)環(huán)境稀缺的電源資源將非常有益處。

3.3.3 有利于風(fēng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)

變頻調(diào)速器投用后，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速由零逐漸增大，消除了以前電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)風(fēng)機(jī)內(nèi)壓力驟增，造成對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪的沖擊。這對(duì)延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命，減少工人維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度開(kāi)創(chuàng)了新的途徑。

4 結(jié)論

變頻調(diào)速技術(shù)在某海上平臺(tái)風(fēng)機(jī)節(jié)能降噪改造的應(yīng)用非常成功，既降低了裝置的電能消耗，又降低了員工生活和工作場(chǎng)所的噪聲，減少了風(fēng)機(jī)維護(hù)的工作量。