變頻技術(shù)在鍋爐風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

康俊文

摘要：煤礦原有鍋爐風(fēng)機(jī)（鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)）都是在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的，電氣多采用接觸器控制，故障率高，流量調(diào)節(jié)控制靠改變風(fēng)門擋板或閥門來實現(xiàn)，其機(jī)械設(shè)備維修量大，工人勞動強(qiáng)度大，節(jié)流引起大量電能損失，電網(wǎng)沖擊及電能浪費(fèi)也很嚴(yán)重。變頻技術(shù)作為一種電子技術(shù)，它的應(yīng)用使設(shè)備工作效率明顯提高，操作更加方便，還能節(jié)約能源，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為此，大多數(shù)煤礦都對原有的風(fēng)機(jī)控制設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)改造，采用變頻技術(shù)來控制。通過變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)風(fēng)量，可精確地調(diào)節(jié)鍋爐送風(fēng)量及引風(fēng)量，提高鍋爐熱效率及燃燒效率。本文對變頻技術(shù)在鍋爐風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)；鍋爐風(fēng)機(jī)；應(yīng)用

1、變頻調(diào)速節(jié)能原理

1.1變頻器控制風(fēng)機(jī)電機(jī)流程

在實際工作中，風(fēng)機(jī)的工作電壓根據(jù)變頻器的輸入端子進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)定，變頻器由預(yù)編程序進(jìn)行控制，通過對壓力信號進(jìn)行實時的監(jiān)測，再根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，輸出對應(yīng)的控制信號。控制信號通過對輸入電源的頻率進(jìn)行有效控制，進(jìn)而對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，從而對爐膛風(fēng)壓進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)，設(shè)置在爐膛內(nèi)部的傳感器能夠?qū)崟r對其內(nèi)部的風(fēng)壓進(jìn)行有效的監(jiān)控，再將風(fēng)壓信號進(jìn)一步傳遞給變頻器，進(jìn)而能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)進(jìn)行科學(xué)合理的自動控制。

1.2電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系

根據(jù)電磁感應(yīng)原理得知，電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率之間的關(guān)系為

式中：n為轉(zhuǎn)速；f為頻率；p為電動機(jī)極對數(shù)。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變，而其它條件不變時，性能參數(shù)有如下關(guān)系：

式中：Q0為風(fēng)機(jī)額定流量；Q′為改變后的風(fēng)機(jī)流量；H0為風(fēng)機(jī)額定風(fēng)壓；H′為改變后風(fēng)機(jī)風(fēng)壓；N0為風(fēng)機(jī)額定軸功率；N′為改變后風(fēng)機(jī)軸功率；n0為電動機(jī)恒定轉(zhuǎn)速；n′為改變后的電動機(jī)轉(zhuǎn)速；K為比例系數(shù)。通過式（2）可看出，流量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。當(dāng)頻率降低時，其電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，而相應(yīng)流量、風(fēng)壓和軸功率也降低，反之將增加。

2、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)變頻控制原理

（1）鍋爐運(yùn)行中，鼓風(fēng)機(jī)需要連續(xù)不間斷的工作，為爐膛燃料的充分燃燒提供充足的氧氣，確保燃料得以充分利用。鼓風(fēng)機(jī)的控制回路根據(jù)鍋爐爐膛內(nèi)部的實際溫度進(jìn)行針對性調(diào)節(jié)，確保爐膛內(nèi)部溫度始終處于合理范圍，避免溫度過高或過低，對鍋爐的運(yùn)行造成不利影響。爐膛內(nèi)部溫度發(fā)生變化后，感應(yīng)器能夠進(jìn)行有效的檢測，通過變送器將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過PID控制算法處理后輸入變頻器，變頻器根據(jù)信號輸出不同的電壓和頻率，實現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻控制。（2）鍋爐運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生大量的煙氣，排煙風(fēng)量過大，會導(dǎo)致排煙溫度過高，造成不必要的能量浪費(fèi)；排煙風(fēng)量過小，煙氣的大量聚集，使空氣無法進(jìn)入，導(dǎo)致鍋爐效率的降低。通過感應(yīng)裝置實時監(jiān)測爐膛內(nèi)的負(fù)壓值，再經(jīng)變送器將信號傳輸至變頻器，借助PID對工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)引風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

3、變頻技術(shù)在鍋爐風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用方案

某集團(tuán)對3#鍋爐鼓風(fēng)機(jī)（11kW）、引風(fēng)機(jī)（55kW）進(jìn)行了變頻技術(shù)改造，根據(jù)風(fēng)機(jī)的特性，風(fēng)機(jī)的流量變化，與轉(zhuǎn)速成正比；而功率變化，則與轉(zhuǎn)速變化立方成正比。因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，風(fēng)量減少，電機(jī)功率則成立方比下降。所以采用調(diào)速方式運(yùn)行設(shè)備，可以大量節(jié)約電能。

3.1風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)輸出風(fēng)量的方法

（1）風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線

圖2中曲線（1）（A和B之間的線）為風(fēng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速n0下的風(fēng)壓-風(fēng)量特性；曲線（2）為管網(wǎng)阻力特性。假設(shè)風(fēng)機(jī)在A點(diǎn)效率最高，此時風(fēng)壓為H2，風(fēng)量為Q2，軸功率為H2、Q2的乘積，用圖2中面積AH2OQ2表示；如果風(fēng)量從Q2減少到Q1，管網(wǎng)阻力特性變到曲線（3），原先工況點(diǎn)由A變到新的B點(diǎn)運(yùn)行，風(fēng)壓增加，軸功率用圖2中面積BH3OQ1表示，軸功率下降不大；如采用變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n0降到n′，畫出在轉(zhuǎn)速n′下風(fēng)壓-風(fēng)量特性曲線（4）（過C點(diǎn)的線），在同樣風(fēng)量Q1的情況下，風(fēng)壓H1大幅度降低，軸功率也隨之顯著減少，用面積CH1OQ1表示，節(jié)省功率用面積BH3H1C表示，節(jié)能效果十分可觀。

（2）通過改變風(fēng)機(jī)葉片的角度，來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)機(jī)管網(wǎng)性能曲線不變時，通過改變風(fēng)機(jī)葉片的角度，使風(fēng)機(jī)的特性曲線（H-Q曲線）改變。在調(diào)低流量的同時，風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力也隨之下降，具有很好的節(jié)電效果。但是這種方法使風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)磨損較大。同時，調(diào)節(jié)葉片角度必須停機(jī)進(jìn)行，無法用在需要風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行、連續(xù)調(diào)節(jié)的場合。

（3）通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。在風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)特性不變，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)的特性曲線（H-Q曲線）平行移動，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。如圖3所示。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，流量降低的同時，風(fēng)機(jī)的壓力也同時隨之降低，這樣，具有極好的節(jié)電效果。這種方法不必對風(fēng)機(jī)本身進(jìn)行改造，轉(zhuǎn)速由外部調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)檔板可處于全開位置保持不變，并能實現(xiàn)無級線性調(diào)節(jié)風(fēng)量。

（4）轉(zhuǎn)速與采用擋板調(diào)節(jié)流量消耗功率的差值，在調(diào)節(jié)相同風(fēng)量時，其運(yùn)行對比前圖可見，在額定風(fēng)量時，兩種調(diào)節(jié)方式的消耗軸功率是相同的；在不同風(fēng)量時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是所有調(diào)節(jié)中消耗軸功率最少的一種。

3.2轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)的實現(xiàn)

（1）改變轉(zhuǎn)差率，在低速時轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗大，效率很低。（2）變極調(diào)速（即改變磁極對數(shù)），不能獲得無級調(diào)速和實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。（3）變頻調(diào)速，通過改變供電頻率實現(xiàn)調(diào)速，在調(diào)速過程中從高速到低速，都可以保持有較小的轉(zhuǎn)差率，可實現(xiàn)無級調(diào)速、自動控制、具有較好的調(diào)速性能。變頻調(diào)速是異步電動機(jī)比較理想的調(diào)速方法。近年來，變頻器可靠性不斷提高，價格不斷下降。由此。我們確定了對鍋爐風(fēng)機(jī)實施變頻調(diào)速改造的方案。

4、改造后的效果

經(jīng)過考察選用了變頻設(shè)備（型號：ACS550，ACS401），根據(jù)爐膛負(fù)壓、蒸汽壓力、溫度等信號調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。未進(jìn)行變頻改造前，電機(jī)不能調(diào)速，風(fēng)量是通過調(diào)整風(fēng)閥的開啟度調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，既不方便又浪費(fèi)能源。根據(jù)需求我們對3#鍋爐進(jìn)行了改造，通過頻率調(diào)整改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。3#爐引風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)改造后，通過正確的調(diào)整供電頻率，用電量有明顯下降。該項目以后每年可為總公司增加數(shù)萬元的凈利潤，進(jìn)一步提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

5、結(jié)語

綜上所述，將變頻技術(shù)運(yùn)用于鍋爐風(fēng)機(jī)控制，改善風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的能源浪費(fèi)情況，提高能源利用率，大大降低能源成本。在實際的應(yīng)用過程中，要結(jié)合鍋爐工作的實際情況進(jìn)行有針對性的應(yīng)用，確保變頻技術(shù)的有效利用。

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（作者單位：山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司）