变频调速技术在风机水泵节能改造中的应用

王新亭,李庆红

(中国平煤神马能源化工集团 平煤股份公司八矿，河南 平顶山 467000)

循环流化床锅炉是一种重要的能源转化设备,其主要特点是燃料适应性广、负荷调节范围宽、环保节能效果显著[1].因此,在工矿企业及民用采暖中得以广泛推广应用.在锅炉运行过程中，要随时根据生产负荷的变化来调整运行参数，改变供热量的大小.而锅炉负荷的调整过程，必然伴随鼓风量、引风量及给水量等辅机参数的调整.但是，锅炉配套的鼓风机、引风机与给水泵是按照运行中可能出现的最大负荷选型的，一般采用电动机恒速拖动，运行中通过调节风门、阀门的开度控制鼓风量、引风量和给水量(以下简称变阀调节).这样，大量电能被消耗在克服风门、阀门的阻力上，辅机电耗并未因风量与水量的减少而降低，所以造成了节能炉型自身不节能的现状.而采用变频调速技术，通过调节鼓风机、引风机以及给水泵转速的方式，进行风量和水量的调节(以下简称变频调节)，具有显著的节能效果.

1 变频调速技术节能原理

电动机转速与输入电源的频率成正比，是变频调速技术的基本原理.即：

N= 60f(1-s) /P

公式中N、f、s、P分别表示电动机转速、输入电源频率、异步电机转差率和电机磁极对数，通过改变输入电源的频率达到改变电机转速的目的.变频调速技术就是基于上述原理采用集交—直—交电源变频技术、电子电力技术、微电脑控制技术于一体的综合性电控技术，这种技术在理论上可实现无级调速，启停平稳，工作可靠，特别是在平方转矩类负载的调速方面节能效果显著[2].

锅炉配套的鼓风机、引风机和给水泵都属于平方转矩类负载.由流体力学原理可知，这类负载在使用电动机拖动的情况下，轴功率P与风量(流量)Q、风压(扬程)H的关系可表示为：

P∝Q×H

当电动机转速由N1变化到N2时，Q、H、P与转速变化的关系是：

即风量(流量)与转速的变化成正比，风压(扬程)与转速变化的平方成正比，轴功率与转速变化的三次方成正比[3].这是平方转矩类负载调速节能的基本原理.

图1为风机的性能曲线和运行工况点变化示意图.图中n1、n2表示风机转速为N1、N2时的Q—H曲线，w1、w2为风门开度变化前后的管网特性曲线.现根据此图分析P与Q、H的关系以及采用变频调速控制的节能效果.

当锅炉负荷减小时，需将风量由Q1减为Q2，可以通过变阀调节或变频调节两种途径来实现风量的减少.如果采用变阀调节的办法，那么风机性能曲线不变，管网特性曲线由w1上移至w2，系统工况点由A点转移至B点，风机所需轴功率由P1∝Q1×H1变化为P2∝Q2×H2，由图可见轴功率变化不大；如果采用变频调节的方法，风机转速由N1降为N2,其管网特性曲线不变，但风机特性曲线由n1下移至n2，系统工况点由A点转移至C点，所需轴功率P3∝Q2×HB.从理论上分析，节约的轴功率Pjy∝Q2×(H2-HB).

图1 风机的性能曲线和运行工况点变化示意图Fig.1 The performance curves of fan and the operating condition points

2 改造方案

2.1 锅炉及辅机的基本情况

平煤股份公司八矿于2005年安装投运的一台SHXF20-1.25型循环流化床锅炉，额定蒸发量为20 t/h,配备的鼓风机、引风机、给水泵性能参数见表1.

表1 鼓风机、引风机、给水泵性能参数Tab.1 Parameters in blower, induced fan, and the water pump

在实际运行过程中，根据负荷变化，锅炉实际蒸发量往往需要在22～16 t/h频繁调节(冬季供暖防冻洗浴22 t/h，供暖防冻20 t/h，夏季洗浴烘干16 t/h).而调节锅炉蒸发量，必须先调节鼓风机、引风机、给水泵的参数.根据实际运行结果，在常用的蒸发量范围内，鼓风量、引风量、给水量数值见表2.

表2 鼓风量、引风量、给水量运行数据Tab.2 The operating data of the blowing quantity, inducing quantity and water quantity

2.2 变频器选型及控制回路改造

根据鼓风机、引风机、给水泵拖动电机额定功率进行变频器的选型，并按照保证系统安全工作、满足锅炉不同负荷下辅机工作参数要求的条件对变频器进行相关参数的设置，具体情况见表3.

表3 变频器的选型Tab.3 The selection of the frequency converters

变频器安装于专用配电柜中，电控系统在原系统的基础上进行改造.只需拆除原交流接触器，安装中间继电器和电抗滤波器，并将原有的电动执行器和电动调节器(控制风门、阀门开度)更换为调节频率的电位器和频率显示仪表即可.由于风机水泵属于平方转矩类负载，在低速运转时需要的轴功率显著下降，拖动电机负荷较小，发热量也较少.因此，冷却风扇与电机转子同速运转能够保证电机散热，不需专门配置变频电机.

变频改造后可保证设备高效运转，实现电机软启动，无冲击电流，设备故障率也大大降低，维修费用大为减少.变频器自我检测、故障诊断、保护功能齐全，可有效地防止事故扩大化.在节电的同时，长期轻载运行的设备工作在低转速、低电压的状态下，这样就使电机发热少、温升低，延长了使用寿命，降低了设备噪音，改善了生产环境，克服了采用异步电动机直接驱动、变阀调节流量时，电机启动电流大、设备机械冲击大、电气保护特性差等缺点.变频调速技术也提高了功率因数，使电网损耗减少，效率提高.在锅炉工况改变时，调节变频器输出频率即可满足工况调节的要求.

3 节能情况统计

3.1 改造前锅炉辅机电耗统计

辅机变频改造前，采用传统的变阀调节进行风量和流量的调整，在锅炉不同负荷下风机、水泵功率消耗的实测情况见表4.

表4 改造前辅机电耗统计Tab.4 The power consumption of auxiliary machine and pump before innovation

3.2 变频调速改造后锅炉辅机电耗统计

进行辅机变频调速改造后，锅炉不同负荷下风机、水泵功率消耗实测情况见表5.

表5 改造后辅机电耗统计Tab.5 The power consumption of auxiliary machine after innovation

3.3 节电数据计算

锅炉在采暖期的4个月内，在用于矿井采暖防冻和职工洗浴时以22 t/h的负荷运转，每天运行9 h，每年运行1 080 h；只用于矿井采暖防冻时以20 t/h的负荷运转，每天运行15 h，每年运行1 800 h；在非采暖期的8个月内，在用于职工洗浴和衣物烘干时以16 t/h的负荷运转，每天运行7.5 h，每年运行1 800 h.根据锅炉在不同负荷下、辅机以不同调节方式运转时的功率消耗计算节电量，具体情况见表6.

表6 改造前后辅机节电情况Tab.6 The power saving of the auxiliary machine before and after the innovation

按照电价0.55元/度计算，年度节约电费：

(24 948+90 900+119 340)MJ×0.55元/MJ≈13万元[4]

4 结 语

锅炉风机、水泵等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国正在重点推广的一项技术，受到了国家政府的普遍重视.实践证明，变频器用于风机水泵类设备的驱动与控制取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式.它既能提高设备效率，又能满足生产工艺要求，并且因此大大减少了设备维护和维修的费用，还降低了停产周期，直接和间接经济效益十分明显.

参考文献:

[1] 潘效军.锅炉改造技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2] 何超.交流变频调速技术[M].北京：中国航空航天大学出版社，2006.

[3] 庞丽君.锅炉燃烧技术及设备[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1991.

[4] 方大千.节能计算手册[M].北京: 电力工业出版社,2006.