熱處理爐助燃風機變頻自動控制節能研究與應用

汪定態

摘 要：本文主要對風機變頻控制節能進行分析，并通過修改PLC程序及優化變頻器參數，利用較為先進的模糊PID控制技術，實現助燃風機壓力和流量自動控制。

關鍵詞：熱處理爐 助燃風機 模糊PID

中圖分類號：TF578 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0104-02

Abstract：This paper mainly analysis the energy-saving of fan variable frequency control， Combining of modifying the PLC program and optimizing frequency parameters and advanced fuzzy PID technology can relize auto-control of pressure and flow.

Key Word：Heat treatment furnace；Combustion air blower；Fuzzy PID＼

三相異步電機變頻調速技術以其卓越的調速性能，顯著的節電效果，成為現代電力傳動技術的一個發展方向。風機通過調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象的方法，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。隨著當今社會市場競爭不斷加劇，采用變頻調速技術對風機類負載進行改造，已成為必然趨勢。

萊鋼熱處理線2#輥底式熱處理爐助燃風機采用的是離心式風機，原設計通過手動調節風機頻率與自動調節風機入口百葉閥門開啟度相結合的方式來控制風機出口氣體的流量和壓力。雖控制手段簡單，但控制精度并不高，而且部分電能損耗在百葉閥門上，變頻器應用不合理，造成能源浪費。

1 風機工作原理與變頻節能分析

1.1 工作原理

風機內空氣的壓縮過程通常是經過幾個旋轉葉輪在離心力的作用下實現的。當電動機轉動時，風機的葉輪隨著轉動，葉輪在旋轉時產生離心力將空氣從葉輪中甩出，空氣從葉輪中甩出后匯集在機殼中，由于速度慢，壓力高，空氣便從通風機出口排出流入管道。當葉輪中的空氣被排出后，就形成了負壓，吸氣口外面的空氣在大氣壓作用下又被壓入葉輪中。因此，葉輪不斷旋轉，空氣也就在風機的作用下，在管道中不斷流動。理論上，離心風機的壓力-流量特性曲線是一條直線，但由于風機內部存在摩擦、阻力等損失，實際的壓力與流量特性曲線隨流量的增大而平緩下降，對應的離心風機的功率-流量曲線隨流量的增大而上升。當風機以恒速運行時，風機的工況點將沿壓力-流量特性曲線移動。風機運行時的工況點，不僅取決于本身的性能，而且取決于系統的特性，當管網阻力增大時，管路性能曲線將變陡。風機調節的基本原理就是通過改變風機本身的性能曲線或外部管網特性曲線，以得到所需工況。

1.2 風機變頻節能分析

從流體力學原理得知，風機風量與轉速及電機功率相關。當風量減少風機轉速下降時，其電動機輸入功率迅速降低。例如：風量下降到80%時，轉速也下降到80%，其軸功率則下降到額定功率的51%；若風量下降到50%時，軸功率將下降到額定功率20%。采用變頻調速，改變風機電動機的輸入頻率從而改變電動機、風機轉速，達到調節空氣流量的目的，既滿足生產工藝變化的要求，又節省電能，是一舉多得的最佳措施。下面由圖1說明其節電原理。

圖1中曲線（1）為風機在恒定轉速n1下的風壓-風量（H-Q）特性曲線；曲線（2）為管網風阻特性曲線（風門全開）；曲線（4）為變頻運行特性曲線（入口閥門全開）。

假設風機工作在A點效率最高，此時風壓為H2，風量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，在圖中可用面積AH2OQ1表示。如果生產工藝要求，風量需要從Q1減至Q2，這時用通過調節入口閥門的方法相當于增加管網阻力，使管網阻力特性變到曲線（3），系統由原來的工況點A變到新的工況點B運行。從圖1中看出，風壓反而增加，軸功率與面積BH1OQ2成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調速控制方式，風機轉速由n1降到n2，根據風機參數的比例定律，畫出在轉速n2風量（Q-H）特性曲線（4）。可見在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH3OQ2表示。節省的功率△N=（H1-H3）×Q2，用面積BH1H3C表示。顯然，節能的經濟效果是十分明顯的。

2 助燃風機變頻自動控制實現

2.1 存在問題

根據生產工藝要求，操作人員手動輸入一固定風機頻率經驗值，在保持電機轉速恒定的情況下，通過自動調節風機入口百葉閥及主風管放散閥開口度，來調節空氣的流量和壓力。現場實際控制存在以下問題：

（1）操作人員手動輸入風機頻率經驗值偏差大，壓力、流量調節速度慢，調節精度差。

（2）入口百葉閥電動執行機構因頻繁調節，易發熱，使其壽命大大降低。

（3）百葉閥閥片易變形，調節精度差，造成供風壓力不穩，風機喘震，嚴重時會造成停爐事故。

（4）變頻器長期運行在同一頻率下，未能充分發揮變頻節能作用，節能效果差。

2.2 自動控制方案

根據熱處理爐工藝要求，我們對助燃風機的工作原理和工作特性進行了深入分析和研究，并通過研究熱處理爐PLC控制程序，確認將2#熱處理爐助燃風機手動控制改為變頻自動控制這一方案。解決方案如下：

（1）根據現場壓力、流量反饋信號，修改自動化PLC程序，實現了風機由手動轉變為自動控制模式的功能。

（2）通過研究熱處理爐助燃風機PLC程序，采用中斷的方式來執行模糊PID控制算法，利用STEP 7實現智能算法選擇適當的PID參數，通過改變PLC中PID模塊中的PID參數，優化電機轉速控制給定值。

（3）優化變頻器加減速時間、過載能力等參數，改善變頻器動態響應，提高電機響應速度。

經過多次測試和參數整定，實現了風機由手動轉變為自動控制模式的功能，達到了助燃風機氣體流量與壓力自動調節的目的。

3 節能效果

此項目改造完成后，實現了熱處理爐助燃風機自動控制，不僅助燃空氣壓力、流量調節速度快，調節精度高，而且提高了入口百葉閥電動執行機構的使用壽命，確保了熱處理爐的穩定運行，通過改造前后兩個月的運行比較，節電率達到13%左右，節能的經濟效果顯著。

此改造項目自實施后，年節約備件約10萬元；按一年330個工作日計算，年可節約成本：144100×0.8（元）+10萬元=21.5萬元。

4 結語

通過熱處理爐助燃風機變頻自動控制節能改造，提高了風機出口風壓動態響應速度及空氣流量控制精度，降低了操作人員的勞動量，提高了變頻設備的利用率，自改造以來，設備運行穩定，具有一定推廣意義。

參考文獻

[1] 陳續強，周玉蘭，侯榮芳，等.高壓變頻器在熱風爐助燃風機上的應用[J].變頻器世界，2013（6）.

[2] 鄧文慧，桂衛華，喻壽益.基于模糊控制的牽引電機冷卻風機變頻節能控制系統[J].計算技術與自動化，2012（4）：1-5.

[3] 桑寧，李鵬翔，王新娣.加熱爐風機電氣控制系統改造[J].冶金動力，2010（4）：16-17.

[4] 劉曙光，魏俊民，竺志超.模糊控制技術[M].北京：中國紡織出版社，2001.endprint

摘 要：本文主要對風機變頻控制節能進行分析，并通過修改PLC程序及優化變頻器參數，利用較為先進的模糊PID控制技術，實現助燃風機壓力和流量自動控制。

關鍵詞：熱處理爐 助燃風機 模糊PID

中圖分類號：TF578 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0104-02

Abstract：This paper mainly analysis the energy-saving of fan variable frequency control， Combining of modifying the PLC program and optimizing frequency parameters and advanced fuzzy PID technology can relize auto-control of pressure and flow.

Key Word：Heat treatment furnace；Combustion air blower；Fuzzy PID＼

三相異步電機變頻調速技術以其卓越的調速性能，顯著的節電效果，成為現代電力傳動技術的一個發展方向。風機通過調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象的方法，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。隨著當今社會市場競爭不斷加劇，采用變頻調速技術對風機類負載進行改造，已成為必然趨勢。

萊鋼熱處理線2#輥底式熱處理爐助燃風機采用的是離心式風機，原設計通過手動調節風機頻率與自動調節風機入口百葉閥門開啟度相結合的方式來控制風機出口氣體的流量和壓力。雖控制手段簡單，但控制精度并不高，而且部分電能損耗在百葉閥門上，變頻器應用不合理，造成能源浪費。

1 風機工作原理與變頻節能分析

1.1 工作原理

風機內空氣的壓縮過程通常是經過幾個旋轉葉輪在離心力的作用下實現的。當電動機轉動時，風機的葉輪隨著轉動，葉輪在旋轉時產生離心力將空氣從葉輪中甩出，空氣從葉輪中甩出后匯集在機殼中，由于速度慢，壓力高，空氣便從通風機出口排出流入管道。當葉輪中的空氣被排出后，就形成了負壓，吸氣口外面的空氣在大氣壓作用下又被壓入葉輪中。因此，葉輪不斷旋轉，空氣也就在風機的作用下，在管道中不斷流動。理論上，離心風機的壓力-流量特性曲線是一條直線，但由于風機內部存在摩擦、阻力等損失，實際的壓力與流量特性曲線隨流量的增大而平緩下降，對應的離心風機的功率-流量曲線隨流量的增大而上升。當風機以恒速運行時，風機的工況點將沿壓力-流量特性曲線移動。風機運行時的工況點，不僅取決于本身的性能，而且取決于系統的特性，當管網阻力增大時，管路性能曲線將變陡。風機調節的基本原理就是通過改變風機本身的性能曲線或外部管網特性曲線，以得到所需工況。

1.2 風機變頻節能分析

從流體力學原理得知，風機風量與轉速及電機功率相關。當風量減少風機轉速下降時，其電動機輸入功率迅速降低。例如：風量下降到80%時，轉速也下降到80%，其軸功率則下降到額定功率的51%；若風量下降到50%時，軸功率將下降到額定功率20%。采用變頻調速，改變風機電動機的輸入頻率從而改變電動機、風機轉速，達到調節空氣流量的目的，既滿足生產工藝變化的要求，又節省電能，是一舉多得的最佳措施。下面由圖1說明其節電原理。

圖1中曲線（1）為風機在恒定轉速n1下的風壓-風量（H-Q）特性曲線；曲線（2）為管網風阻特性曲線（風門全開）；曲線（4）為變頻運行特性曲線（入口閥門全開）。

假設風機工作在A點效率最高，此時風壓為H2，風量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，在圖中可用面積AH2OQ1表示。如果生產工藝要求，風量需要從Q1減至Q2，這時用通過調節入口閥門的方法相當于增加管網阻力，使管網阻力特性變到曲線（3），系統由原來的工況點A變到新的工況點B運行。從圖1中看出，風壓反而增加，軸功率與面積BH1OQ2成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調速控制方式，風機轉速由n1降到n2，根據風機參數的比例定律，畫出在轉速n2風量（Q-H）特性曲線（4）。可見在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH3OQ2表示。節省的功率△N=（H1-H3）×Q2，用面積BH1H3C表示。顯然，節能的經濟效果是十分明顯的。

2 助燃風機變頻自動控制實現

2.1 存在問題

根據生產工藝要求，操作人員手動輸入一固定風機頻率經驗值，在保持電機轉速恒定的情況下，通過自動調節風機入口百葉閥及主風管放散閥開口度，來調節空氣的流量和壓力。現場實際控制存在以下問題：

（1）操作人員手動輸入風機頻率經驗值偏差大，壓力、流量調節速度慢，調節精度差。

（2）入口百葉閥電動執行機構因頻繁調節，易發熱，使其壽命大大降低。

（3）百葉閥閥片易變形，調節精度差，造成供風壓力不穩，風機喘震，嚴重時會造成停爐事故。

（4）變頻器長期運行在同一頻率下，未能充分發揮變頻節能作用，節能效果差。

2.2 自動控制方案

根據熱處理爐工藝要求，我們對助燃風機的工作原理和工作特性進行了深入分析和研究，并通過研究熱處理爐PLC控制程序，確認將2#熱處理爐助燃風機手動控制改為變頻自動控制這一方案。解決方案如下：

（1）根據現場壓力、流量反饋信號，修改自動化PLC程序，實現了風機由手動轉變為自動控制模式的功能。

（2）通過研究熱處理爐助燃風機PLC程序，采用中斷的方式來執行模糊PID控制算法，利用STEP 7實現智能算法選擇適當的PID參數，通過改變PLC中PID模塊中的PID參數，優化電機轉速控制給定值。

（3）優化變頻器加減速時間、過載能力等參數，改善變頻器動態響應，提高電機響應速度。

經過多次測試和參數整定，實現了風機由手動轉變為自動控制模式的功能，達到了助燃風機氣體流量與壓力自動調節的目的。

3 節能效果

此項目改造完成后，實現了熱處理爐助燃風機自動控制，不僅助燃空氣壓力、流量調節速度快，調節精度高，而且提高了入口百葉閥電動執行機構的使用壽命，確保了熱處理爐的穩定運行，通過改造前后兩個月的運行比較，節電率達到13%左右，節能的經濟效果顯著。

此改造項目自實施后，年節約備件約10萬元；按一年330個工作日計算，年可節約成本：144100×0.8（元）+10萬元=21.5萬元。

4 結語

通過熱處理爐助燃風機變頻自動控制節能改造，提高了風機出口風壓動態響應速度及空氣流量控制精度，降低了操作人員的勞動量，提高了變頻設備的利用率，自改造以來，設備運行穩定，具有一定推廣意義。

參考文獻

[1] 陳續強，周玉蘭，侯榮芳，等.高壓變頻器在熱風爐助燃風機上的應用[J].變頻器世界，2013（6）.

[2] 鄧文慧，桂衛華，喻壽益.基于模糊控制的牽引電機冷卻風機變頻節能控制系統[J].計算技術與自動化，2012（4）：1-5.

[3] 桑寧，李鵬翔，王新娣.加熱爐風機電氣控制系統改造[J].冶金動力，2010（4）：16-17.

[4] 劉曙光，魏俊民，竺志超.模糊控制技術[M].北京：中國紡織出版社，2001.endprint

摘 要：本文主要對風機變頻控制節能進行分析，并通過修改PLC程序及優化變頻器參數，利用較為先進的模糊PID控制技術，實現助燃風機壓力和流量自動控制。

關鍵詞：熱處理爐 助燃風機 模糊PID

中圖分類號：TF578 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0104-02

Abstract：This paper mainly analysis the energy-saving of fan variable frequency control， Combining of modifying the PLC program and optimizing frequency parameters and advanced fuzzy PID technology can relize auto-control of pressure and flow.

Key Word：Heat treatment furnace；Combustion air blower；Fuzzy PID＼

三相異步電機變頻調速技術以其卓越的調速性能，顯著的節電效果，成為現代電力傳動技術的一個發展方向。風機通過調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象的方法，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。隨著當今社會市場競爭不斷加劇，采用變頻調速技術對風機類負載進行改造，已成為必然趨勢。

萊鋼熱處理線2#輥底式熱處理爐助燃風機采用的是離心式風機，原設計通過手動調節風機頻率與自動調節風機入口百葉閥門開啟度相結合的方式來控制風機出口氣體的流量和壓力。雖控制手段簡單，但控制精度并不高，而且部分電能損耗在百葉閥門上，變頻器應用不合理，造成能源浪費。

1 風機工作原理與變頻節能分析

1.1 工作原理

風機內空氣的壓縮過程通常是經過幾個旋轉葉輪在離心力的作用下實現的。當電動機轉動時，風機的葉輪隨著轉動，葉輪在旋轉時產生離心力將空氣從葉輪中甩出，空氣從葉輪中甩出后匯集在機殼中，由于速度慢，壓力高，空氣便從通風機出口排出流入管道。當葉輪中的空氣被排出后，就形成了負壓，吸氣口外面的空氣在大氣壓作用下又被壓入葉輪中。因此，葉輪不斷旋轉，空氣也就在風機的作用下，在管道中不斷流動。理論上，離心風機的壓力-流量特性曲線是一條直線，但由于風機內部存在摩擦、阻力等損失，實際的壓力與流量特性曲線隨流量的增大而平緩下降，對應的離心風機的功率-流量曲線隨流量的增大而上升。當風機以恒速運行時，風機的工況點將沿壓力-流量特性曲線移動。風機運行時的工況點，不僅取決于本身的性能，而且取決于系統的特性，當管網阻力增大時，管路性能曲線將變陡。風機調節的基本原理就是通過改變風機本身的性能曲線或外部管網特性曲線，以得到所需工況。

1.2 風機變頻節能分析

從流體力學原理得知，風機風量與轉速及電機功率相關。當風量減少風機轉速下降時，其電動機輸入功率迅速降低。例如：風量下降到80%時，轉速也下降到80%，其軸功率則下降到額定功率的51%；若風量下降到50%時，軸功率將下降到額定功率20%。采用變頻調速，改變風機電動機的輸入頻率從而改變電動機、風機轉速，達到調節空氣流量的目的，既滿足生產工藝變化的要求，又節省電能，是一舉多得的最佳措施。下面由圖1說明其節電原理。

圖1中曲線（1）為風機在恒定轉速n1下的風壓-風量（H-Q）特性曲線；曲線（2）為管網風阻特性曲線（風門全開）；曲線（4）為變頻運行特性曲線（入口閥門全開）。

假設風機工作在A點效率最高，此時風壓為H2，風量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，在圖中可用面積AH2OQ1表示。如果生產工藝要求，風量需要從Q1減至Q2，這時用通過調節入口閥門的方法相當于增加管網阻力，使管網阻力特性變到曲線（3），系統由原來的工況點A變到新的工況點B運行。從圖1中看出，風壓反而增加，軸功率與面積BH1OQ2成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調速控制方式，風機轉速由n1降到n2，根據風機參數的比例定律，畫出在轉速n2風量（Q-H）特性曲線（4）。可見在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH3OQ2表示。節省的功率△N=（H1-H3）×Q2，用面積BH1H3C表示。顯然，節能的經濟效果是十分明顯的。

2 助燃風機變頻自動控制實現

2.1 存在問題

根據生產工藝要求，操作人員手動輸入一固定風機頻率經驗值，在保持電機轉速恒定的情況下，通過自動調節風機入口百葉閥及主風管放散閥開口度，來調節空氣的流量和壓力。現場實際控制存在以下問題：

（1）操作人員手動輸入風機頻率經驗值偏差大，壓力、流量調節速度慢，調節精度差。

（2）入口百葉閥電動執行機構因頻繁調節，易發熱，使其壽命大大降低。

（3）百葉閥閥片易變形，調節精度差，造成供風壓力不穩，風機喘震，嚴重時會造成停爐事故。

（4）變頻器長期運行在同一頻率下，未能充分發揮變頻節能作用，節能效果差。

2.2 自動控制方案

根據熱處理爐工藝要求，我們對助燃風機的工作原理和工作特性進行了深入分析和研究，并通過研究熱處理爐PLC控制程序，確認將2#熱處理爐助燃風機手動控制改為變頻自動控制這一方案。解決方案如下：

（1）根據現場壓力、流量反饋信號，修改自動化PLC程序，實現了風機由手動轉變為自動控制模式的功能。

（2）通過研究熱處理爐助燃風機PLC程序，采用中斷的方式來執行模糊PID控制算法，利用STEP 7實現智能算法選擇適當的PID參數，通過改變PLC中PID模塊中的PID參數，優化電機轉速控制給定值。

（3）優化變頻器加減速時間、過載能力等參數，改善變頻器動態響應，提高電機響應速度。

經過多次測試和參數整定，實現了風機由手動轉變為自動控制模式的功能，達到了助燃風機氣體流量與壓力自動調節的目的。

3 節能效果

此項目改造完成后，實現了熱處理爐助燃風機自動控制，不僅助燃空氣壓力、流量調節速度快，調節精度高，而且提高了入口百葉閥電動執行機構的使用壽命，確保了熱處理爐的穩定運行，通過改造前后兩個月的運行比較，節電率達到13%左右，節能的經濟效果顯著。

此改造項目自實施后，年節約備件約10萬元；按一年330個工作日計算，年可節約成本：144100×0.8（元）+10萬元=21.5萬元。

4 結語

通過熱處理爐助燃風機變頻自動控制節能改造，提高了風機出口風壓動態響應速度及空氣流量控制精度，降低了操作人員的勞動量，提高了變頻設備的利用率，自改造以來，設備運行穩定，具有一定推廣意義。

參考文獻

[1] 陳續強，周玉蘭，侯榮芳，等.高壓變頻器在熱風爐助燃風機上的應用[J].變頻器世界，2013（6）.

[2] 鄧文慧，桂衛華，喻壽益.基于模糊控制的牽引電機冷卻風機變頻節能控制系統[J].計算技術與自動化，2012（4）：1-5.

[3] 桑寧，李鵬翔，王新娣.加熱爐風機電氣控制系統改造[J].冶金動力，2010（4）：16-17.

[4] 劉曙光，魏俊民，竺志超.模糊控制技術[M].北京：中國紡織出版社，2001.endprint