變頻器在火焰清理除塵風機上的節能應用

劉鋒國

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司煉鋼部，河北 唐山 063200)

實踐證明，變頻器用于風機類設備的驅動控制取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式，風機類設備采用變頻調速技術，實現節能是我國節能的一項重點推廣技術。

火焰清理除塵風機也屬于除塵風機類設備，如采用變頻器對電機驅動系統進行升級改造，可大大節省能源消耗，具有推廣的價值。

1 現場背景

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司火焰清理系統是通過日本KBK公司引進美國L-TEC公司的CM90-8-1，火焰清理除塵系統采用JSS168塑燒板除塵器系統，除塵器系統采用的除塵風機，由630kW交流電機驅動，風機入口設置擋板閥，風機葉輪出口與煙囪連接，將火焰清理在生產過程中產生的煙氣排出。

火焰清理機在工作時，根據產生的蒸汽和煙氣大小對除塵風機的入口擋板閥門開度進行調節。首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司地處北方，冬季火焰清理密閉室內外溫差大，產生的蒸汽尤其大。在火焰清理機工作時，除塵風機入口擋板閥門開度一般維持在80%左右，清理任務結束，將除塵風機入口擋板閥門開度減小至55%。除塵風機電機電壓為10kV，采用直接啟動方式。

2 除塵風機變頻器的節能原理

2.1 除塵風機的特性及參數

火焰清理除塵風機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并排送氣體的機械設備，它是一種從動的流體機械設備。當除塵風機葉輪在電動機的帶動下轉動時，充滿于葉輪之間的氣體在離心力的作用下，從葉輪甩出，進入除塵風機機殼，通過煙囪排出，氣體外流，造成了葉輪進口空間為真空，于是外部氣體就全自動補入葉輪進口空間，并在旋轉中獲得能量，再從葉輪出口區出去，由于電機不停工作，將氣體吸入壓出，形成氣體的連續流動。除塵風機主要參數：

（1）除塵風機風量Q：單位時間流過除塵風機的空氣量(m3/h)。

（2）除塵風機全壓Ht：當空氣流過除塵風機時，除塵風機給予每立方米空氣的總能量（kg·m），其由靜壓Hs和動壓Hd組成。即Ht=Hs+Hd，為了便于計算，一般使用風機全壓Ht。

（3）軸功率P：除塵風機工作有效的總功率，也稱空氣功率。

（4）除塵風機的效率η：除塵風機軸上的功率P除去損失掉的部分功率后剩下的除塵風機內功率與除塵風機軸上的功率P之比。

當除塵風機的輸出功率以全壓計算時，稱為全壓功率，其計算公式為：

2.2 除塵風機的相似理論

除塵風機屬于典型的平方轉矩負載類型，根據除塵風機的工作原理，用Q1表示調整速度后除塵風機的風量，n1為調整速度后除塵風機的額定轉速，則除塵風機風量和電機轉速滿足以下關系：

除塵風機運行壓力用Ht表示，Ht1為調整速度后的除塵風機運行壓力，則除塵風機壓力和電機轉速滿足以下關系：

調整速度后除塵風機的軸功率用P1表示，根據公式（1）～（3），除塵風機軸功率和電機轉速滿足以下公式：

除塵風機的流量，運行壓力，軸功率這三個基本參數與轉速間的運算公式極其復雜，同時除塵風機類負荷隨環境變化參數也隨之變化，因此在工程中一般根據除塵風機的運行曲線，進行大致的參數運算，稱之為除塵風機相似理論。由上式（4）可知，除塵風機的軸功率P與電機轉速n的立方成正比，P∞n3，改變除塵風機的轉速就可以改變除塵風機的功率。

2.3 電動機轉速n 和頻率f的關系

異步電動機的轉速頻率f的關系為：

式中，s為異步電動機的轉差率；p是電機的極對數。

由上式可知，異步電動機的轉速和頻率是成正比的。結合除塵風機相似理論，可得出結論：改變除塵風機的頻率即可改變除塵風機的轉速，進而改變除塵風機的功率。

3 火焰清理變頻器改造的節能效果

3.1 火焰清理除塵風機的管網特性曲線

火焰清理除塵風機的軸功率隨著入口擋板閥門的開度而變化。京唐鋼鐵公司火焰清理除塵系統采用的是通過調節除塵風機入口擋板閥門開度的大小來控制風量的大小，當除塵風機入口擋板閥門開度減小時，除塵風機軸功率大體與風量成正比例下降。改變除塵風機入口擋板閥門的開度，除塵風機的管網特性曲線變化大致如圖1所示。

圖1 除塵風機管網特性曲線

當火焰清理入口擋板閥門開度一定時，除塵風機的管網特性曲線為R1，此時除塵風機電機工作在工頻狀態，轉速為n1，除塵風機工作在A點，其除塵風機的壓力為H0，除塵風機輸出風量為Q0。

當火焰清理機清理任務不飽滿時，需要將除塵風機入口擋板閥門開度減小，除塵風機電機轉速n1不變，除塵風機的管網阻力增加，除塵風機壓力增大為H1，其管網特性曲線變為R2，此時工況點移至A1，除塵風機的輸出風量減小為Q1。

從上面的曲線分析，通過調節除塵風機入口擋板閥門的開度，除塵風機管網的特性參數將發生變化，輸出風量發生變化，這樣就達到了在電機額定轉速運行時調節除塵風機輸出風量的目標。由上圖可以發現，在除塵風機風量減少的同時，除塵風機的壓力相比以前大大增加，在除塵風機風門上消耗了大量的無效軸功率，極大地降低了除塵風機的轉換效率，浪費了大量的能源。

3.2 除塵風機轉速特性曲線

當除塵風機電機采用變頻器調節時，由于除塵風機入口擋板閥門不再需要調節，其管網特性不變，仍為R1。當除塵風機電機運行在工頻狀態下，電機轉速為n1，此時除塵風機工作在為A點，其風壓為H0，其輸出風量是Q0。

圖2 除塵風機轉速特性曲線

當火焰清理機清理任務不飽滿時，要求風量從Q0減小Q1，采用降低除塵風機電機的運行頻率的方法，則除塵風機的管網特性曲線不變，運行速度減小為n2，此時工況點變為A2，此時對應的風壓為H2，由結合圖1可知，風壓H2遠遠小于H1。

從圖2的曲線分析，通過調節除塵風機電機的頻率，管網的特性參數將不發生變化，輸出風量發生變化的同時，除塵風機內部風壓同時減小，這樣就在極大節省電量的情況下達到了調節除塵風機輸出風量的目標。

圖3 除塵風機H-Q特性曲線

根據公式（1）可得出，當除塵風機工作在A點時，面積0Q0AH0代表除塵風機的軸功率。當除塵風機風量減小為Q1時，面積0Q1A1H1代表除塵風機工作在A1點時的軸功率。雖然除塵風機風量減小，但是由于除塵風機內部風壓增大，減小的軸功率并不多。如果采用降低電機運行頻率的方法來減小風量，當除塵風機電機轉速減小為n2時，面積0Q1A2H2為系統工作在A2點時的軸功率，兩者面積之差H2A2A1H1即為節省的軸功率。從圖中可以直觀看出，大幅節省了軸功率，從而節省了電機耗電量，降低了能源消耗。

4 火焰清理變頻節能計算

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司除塵風機變頻器改造，不需要對除塵風機本身進行改造，電機由工頻驅動改為由變頻器變頻驅動，除塵風機入口擋板閥門可處于全開位置保持不變，可以根據火焰清理實際的需要進行風量的調節，風量穩定且波動小，實現無級線性調節風量，適合于除塵風機進行連續運行，連續調節。

除塵風機的電動機額定功率為630kW，本文按照實際電流I實計算，其消耗的電能也即是軸功率為：

P實=1.732UI實cosφ=1.732×10000×25×0.88=381kW

工作時，火焰清理除塵風機入口擋板閥門開度一般維持在80%左右，清理任務不飽滿時，入口擋板閥門開度在55%左右，估算實際運行的頻率為工頻的0.7倍，為保證數據的可靠性和準確性，我們取f=35Hz進行計算，根據公式（4）：

P1=(35/50)3×381=131kW

節約電量為：381-131=250kW，節電率為：250/381=66%。

根據公式（4），考慮到實際情況，進行修正后，如果風量進行改變(單位%)后，各變量的變化情況如表1。

表1 與流量對應的各變量之間的關系

根據上表可知，當火焰清理機除塵系統在進行變頻器改造后，節電甚至可達70%。

此外，火焰清理除塵風機使用工頻電源直接啟動，每次啟動前，需要關閉除塵風機入口擋板閥門，啟動電流一般為電機額定電流的6～7倍，對火焰清理除塵風機進行變頻改造后，啟動電流可在電機額定電流的150%以下，啟動時間相應延長，系統實現了軟啟動，對電網沖擊大大減少。

變頻改造后，不僅可以避免電動機起停時的機械沖擊，延長風機電機、葉輪、軸承等部件的使用壽命，而且在火焰清理負荷率較低時，電機轉速也較低，主設備及相應輔助設備磨損較前減輕，維護周期延長，設備運行壽命延長。與原來的系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項保護功能，更完善地保護了電機。并且變頻器操作簡單，運行方便。可通過計算機遠程給定流量或壓力等參數，實現智能調節。

5 結語

電動機的變頻驅動并不一定都有明顯的節能效果，主要是根據電動機的負載性質及負載的運行情況而定。對除塵風機類負載，變頻調速的節能效果較為明顯。

火焰清理除塵系統變頻改造后，通過上文的計算可知，僅從用電量來說，節電效果明顯。此外變頻改造好處多多，除塵風機變頻系統設計有相應的保護及故障報警，操作工作由動手變為監控，大大降低操作工勞動量，提高生產效率，可實現生產的無人操作。

火焰清理變頻系統改造后，通過在變頻器輸出側安裝正弦濾波器，變頻器正確接地等措施，做好對諧波干擾的抑制，抑制高次諧波對電機的干擾。