三鋼棒材廠風機變頻節能改造

摘 要：隨著市場競爭的不斷加劇，節能增效已經成為提高產品競爭力的重要手段之一。而在軋鋼加熱爐的生產中，風機電能消耗是一筆不小的生產費用開支。本文分析了變頻調速技術在三鋼棒材廠加熱爐風機中的應用，并通過運行實驗得出變頻改造的經濟性。

關鍵詞：變頻調速 風機 節能

中圖分類號：TK223.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0091-02

福建三鋼棒材廠采用兩座蓄熱式加熱爐加熱，設計加熱能力100 t（冷坯）和60 t（冷坯），采用空氣、煤氣雙預熱的蓄熱式燒嘴技術，燃料為轉爐煤氣，煤氣熱值5860 kJ/m3。兩座加熱爐一共有6臺風機，其中鼓風機2臺，引風機4臺。操作工在操作臺通過調節風門擋板來實現風量的調節，從而實現對風壓、排煙溫度、爐膛壓力的控制。鼓風機擋板開度的控制主要參考操作臺顯示的空氣壓力，而引風機主要靠操作人員的經驗。因此控制不夠精確，且通過多次煉鋼綜合改造后，棒材線熱裝率達到了80%以上，加熱爐風機長期在低負荷運行，導致了大量的電能損耗。因此決定對加熱爐風機控制系統進行變頻節能改造。

1 風機電機定速拖動的運行分析

1.1 加熱爐風機運行情況

電機在熱生產時會有很大的余量，擋板通常會檔板調到20%左右運行，在高速轉動的風機和低負荷的運行情況下，分機會產生較大的震動，電機溫度高，現場噪聲大且操作環境惡劣。停爐保溫期間，由于加熱爐熱負荷很低。通常將擋板調到10%以下時，由于負壓過大，對機械沖擊大，甚至可能會引起管道的喘振，危及設備運行安全。

1.2 風機定速拖動時的缺陷

（1）風機電能損耗嚴重。風機在低負荷運行時，在擋板兩側風壓較大，出現極大的風壓損耗和節流損耗，風機的能效轉換效率低。（2）工作環境惡劣。風機運行的負荷較低的時候，會造成管道震動而產生較大的噪音，旁邊操作臺會因此震動并且造成噪音超標，會危害到操作工人的身體健康。（3）危害設備。電流會在啟動時較大，音響廠內的電源波動，耗電量大。也會因想到電機的壽命。電機和風機的軸承在運行產生的過大震動會造成較大磨損。且造成風道、風機軟連接壽命降低。僅2012年一年，兩臺鼓風機風機軟連接更換次數達到了3次。燒電機的現象也時常出現。

2 風機調速運行時的節能原理分析

2.1 風機運行特性曲線

用以表示通風機的主要性能參數（如風壓H、風量Q、功率N及效率η）之間關系的曲線稱為風機特性曲線或風機性能曲線。為了使用方便，通常將H—Q曲線、N—Q曲線、η—Q曲線畫在同一圖上。離心式風機，其屬于平方轉矩類型的負載，在額定轉速運行的特性曲線如（圖1）。

從（圖1）可以看出，在一定轉速下，風機的效率隨著風量的改變而變化，但其中有一個效率最高點ηmax。相應于最高效率下的風量、風壓和軸功率稱為風機的最佳工況，在選擇風機時，應使其實際運轉效率不低于0.9ηmax。此范圍稱為風機的經濟使用范圍。

2.2 風機流量的確定

風機在單位時間內所輸送的氣體體積稱為風量。風機在運行時，通過風機所產生的風壓H（即全壓）與管網阻力R的共同作用，出現一個穩定的風量輸出點，我們稱之為工況點（圖2中的點M），M點對應的效率曲線上的ηm的值為該工況下的風機運行效率，Qm為工況M風機的風量，其曲線如（圖2）。

2.3 風機流量的調節方法

（1）將管網的阻力進行改變來調節風機輸出。當風機轉速保持不變，管網阻力發生變化時，風壓隨之改變，風機運行的工況點將改變，風量將隨之發生變化，其特性曲線如（圖3）。

在實際運行中，操作工通過調節擋風板的開度來實現風量Q的改變，隨著擋板開度的不斷減小，管網阻力隨之不斷加大。如圖3中擋板的三種開度對應R1、R2、R3三種不同的管網阻力工況，由于實際運行中風機轉速不變，其三種管網阻力工況與風機壓力特性曲線分別出現了M1、M2、M3三種工況點。三種工況點對應的三個風量Q1、Q2、Q3就是在轉速不變時，三種擋板開度所對應的三個風量。從中可以看出，調節擋板的開度，即可以調整風機輸出流量的多少。且隨著擋板開度的不斷減小，其風機的運行效率也將不斷降低，甚至偏離風機的經濟適用范圍，造成能耗的浪費。

（2）通過改變風機的轉速來實現對風機的風量調節。當管網阻力不變，改變風機的轉速時，風機的壓力特性曲線隨之改變，其特性曲線如（圖4）。

當風機的轉速定為n1、n2、n3時，每個轉速都對應其相應的壓力特性曲線，在管網阻力R不變的情況下，工況點隨之改變為M1、M2，其對應的流量變為Q1、Q2。由于風機轉速改變時，風機效率曲線也將隨之改變，因此通過改變轉速的方式調節風機流量，通過計算，可以使風機的效率始終在經濟適用范圍內，達到節能降耗的目的。在實際生產中，通常采用內反饋串級調速電機，高壓變頻器，液力耦合器等方法達到對風機轉速的調節，從而在管網阻力不變的情況下調節流量。

2.4 風機定速運行與風機調速運行在輸出同等風量時的比較

當風機的額定轉速為n1，擋板全開管網阻力為R1，額定風量為Q1時，通過調節擋板（即調整管網阻力）和風機轉速的兩種方法，將風量改變為Q2，其運行工況的差異如（圖5）所示。

從圖中可以看出，在同等風量的情況下，用速度調節的工況點是M2，運行時壓為H2。用擋板調節的工況點是M3，運行時壓力為Hf。

2.5 兩種風量調節方法消耗能量的差異

通過流體力學的基本定律可知，風機設備屬于平方轉矩負載。其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。因此定速調節風量與用調速調節風量對比，隨著實際輸出流量與風機額定流量差值的加大，其能量的消耗差異也呈平方比例系數加大。

3 風機高壓變頻器調速的實測數據

下表為我廠1#加熱爐空煙引風機調速改造后的實際測量數據。從（表1）中看出，實際運行中，當風機輸出流量較低時，調速運行節能效果明顯。我廠加熱爐生產中，鋼坯熱裝率較高，因此加熱爐通常在低負荷狀態下運行，風機輸出流量較低，節能效果明顯。

4 結語

根據以上計算出的調速運行狀態，全熱裝時，風門開度約20%，定速運行單位電耗22.8 kW·h，調速運行后風機頻率為35Hz單位電耗7.6 kW·h，每小時節電達15.2 kW·h。以上為在理想狀況下的單位節能，在實際運用中，考慮到設備的效率轉換，調速裝置的損耗，還應乘以0.85的額外消耗系數，實際單位節電按12.92 kW·h進行計算。以正常年工作300天計算，熱裝率80%，共計兩臺引風機其節電總量為：148838 kW·h。以電價每kW·h費用0.57元計算，年節約電量應達84838元。若其余四臺風機都采用變頻調速，年節約電耗可達50萬元以上。

參考文獻

[1] 韓立軍.加熱爐引風機變頻調速控制系統[J].控制工程，2002（5）.

[2] 羋新建.變頻調速技術在循環流化床鍋爐風機應用中的節能分析[J].宿州學院學報，2009（10）.