船用锅炉风机、燃油泵的变频节能应用研究

赵富国 王庆 谭鹏 王超（中国卫星海上测控部，江苏 江阴，214431）

船用锅炉风机、燃油泵的变频节能应用研究

赵富国 王庆 谭鹏 王超
（中国卫星海上测控部，江苏 江阴，214431）

为了改善船用锅炉风机、燃油泵的能源浪费现状，使其达到节能降耗，本文提出利用变频器对锅炉风机、燃油泵的电动机进行平滑启动控制，阐明了变频器的工作原理，给出电机相关参数与变频器的匹配设计方法，设计出两大系统的结构组成和主要的运行方式，大量实验结果表明，变频调速构成的两大控制系统方案，可以实现节能降耗，提高了系统自动化，降低了航运成本，经济效益凸显。

船用；变频器；锅炉鼓风机；燃油泵；自动控制系统

近年来，由于变频调速器易操作、免维护、控制精度高，并且可以实现高效节能等优点，变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。某船使用的2台32 T/H燃油锅炉在点火、熄火及运行时，需要对鼓风机、燃油泵进行连续稳定的调节，以满足锅炉汽轮机的用汽工艺要求。由于锅炉的鼓风机、燃油泵电机均采用简单的两级调速，仅靠鼓风机挡风板及薄膜调节阀等手段进行调节。在此种状态下，大量的电能消耗在风门档板阻力和燃油循环调节机构上，造成风机、燃油泵多数时间处于低效运行状态。因此，采用变频技术是降低锅炉鼓风机、燃油泵能耗的最有效途径。

1 设备现状

1.1 设备组成

某船锅炉鼓风机由上海电机厂生产，电机型号是JD，功率是180/75/30 kw/h ，转速为1475/985/725r/ min，定子：电压380V，电流322/157/62A。其自动控制系统是由压缩空气作为控制动力，该空气压力自动调节系统共有三套，每台锅炉对应一套，燃油泵自动调节系统一套。

1.2 工作原理

锅炉在各种稳定工况或变工况运行时，要求自动供给锅炉炉膛供油量和鼓风量，并维持风油比值关系，以保证炉膛实现完全燃烧。为了实现这一目标，锅炉设计了燃烧调节装置，该装置是由五个自动调节系统组成。而自动供给炉膛供油量和鼓风量的讯号是根据锅炉过热器出口主蒸汽压力值，并通过变送器转换成相应的气压讯号，该气压讯号输入到气动四针指示调节仪中与给定讯号相比较，输出对应于该工况的气压讯号，此气压讯号分别送入锅炉燃油压力和空气压力自动调节系统的气动参数定值器中，作为鼓风机和燃油压力四针指示调节仪的给定值。并与变送器测量的风压、油压值输入到气动四针指示调节仪中进行比较，两者相互平衡，从仪表中输出与各运行工况相应的气压讯号，作用在长行程执行机构和调节阀上，以调节锅炉鼓风机挡板位置与燃油薄膜调节阀的开度，使锅炉的空气压力、燃油压力保持与运行工况相适应。

图1 风机、油泵变频调速控制系统组成图

1.3 当前设备存在的不足

目前，风机主要是以调节风门挡板开度的大小来实现进风量多少的控制。这种调节方式存在一定的缺陷，其结果是不论负荷的需求大小，风机都只能进行两级调速运转，而两级调速是远远不能满足负荷变化需要的，特别是在前进二经济航速，每台炉投入两只或三只油枪运行时，一级调速根本满足不了炉膛风量的需求，而二级调速又出现风量过剩不能充分利用的局面。同样在一只油枪投入工作时，一级调速产生的风量也是不能充分利用的。而燃油泵的工作方式是利用薄膜调节阀的开度大小来控制进油量的多少，并通过回油管路系统使多余的油量、压力回流至油舱。这种工作方式亦是典型的能量循环消耗，白白浪费著多能源［1］。

从以上风机、油泵的工作过程可以看出，设备运行过程中，不仅设备的控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，从而导致船舶航运成本增加，缩短设备使用寿命，并使设备维修、维护难度、费用大大增加。

2 变频调速的方案设计

2.1 变频调速技术原理［2］

随着电力电子技术的发展，变频调速技术应用日益广泛，主要应用在两个领域一个是供电电源，另一个是电动机的调速。变频器主要由整流器和逆变器两大部分组成。整流器先将频率为50Hz的三相交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率可调、电压有效值也可调的三相交流电，供给三相鼠笼式电动机。由此可得到电动机的无极调速。异步电动机转速公式为［3］：

根据交流电机转速公式：n=（60f/p）（1-s）可知：同步电机同转差率s=0及转子极对数恒定，仅能改变频率来调速。异步电动机可改变频率和转差率来实现无极调速。变频调速是通过改变定子供电频率来调节电机转速的，变频器供给电机电能必须具备调频调压两个功能，使电源电压与频率成正比变化，以保证V/F=常数，才能维持需要的电动机机械特性［4］，从而改善锅炉送风、燃油流量控制，达到节能30%以上的目标。

2.2 变频调速技术的系统设计

根据船用锅炉工艺要求，变频器选用美国艾默生生产的TD2000G（EV2000）系列通用变频器，具有智能功率模块IPM、电机控制专用高速数字信号处理器DSP和可编门阵列CPLD，检测电机转速和方向的再启动功能，特别适合对各种风机平滑启动；其中文液晶操作面板，模块化的设计，更加方便维护。输入额定电压380 V，频率50Hz，输入电压容许在额定电压的20%上下波动，频率±5%；输出电压0～380 V，输出频率0～50Hz，启动频率0. 1～50Hz；内置PID调节器，根据负荷变化情况，V/F线能够自动协调变换，可较为容易的搭建自动调节控制系统。

变频器上的速度设定讯号来自控制系统四针指示调节仪的输出控制讯号，经过A／D模数转换模块，将模拟量输出值转换成数字量，该数字量作为变频器的控制讯号去调节电动机。通过正确设定变频器的相关参数，能够使电动机的工作动态实现闭环调控要求，并根据负荷的高低变化，自动控制鼓风机、燃油泵的转速，及时调整炉膛的风压与进油量的最佳比值。同时，根据正确设定变频调速器的相关保护参数，来实现对变频器和电动机的安全保护。其风机、油泵变频调速控制系统组成如图1所示.

表1 风机改造前后的参数对照

3 变频技术应用后的效益分析

⑴由于锅炉鼓风机负载N-轴功率与Q-流量、P-压力成正比，而流量与n-转速成反比，压力与转速平方成正比，因此，轴功率与转速的立方成正比：

P=（n/pe）3

由此可见，调节锅炉鼓风机电机的转速，在其稍有下降时，可大幅度降低鼓风机的输出功率。电机的功率损耗降低，必然能够节约大量的电能。

我们采取中间值来进行计算，应用变频调速后，运行电流由原来的157 A降为121A，电压由380 V降为258 V。按每年运行200天进行计算，其效益结果（见表1）。

⑵改造前燃油消耗量为2064kg/h，改造后用油量下降为1878kg/h，某船多年来一直使

用0号重油，2014年3月据全国各厂家的报价，依据不同型号的重油每吨价格在3600到4600元/吨，在此每吨重油费用按3900元/T计算，年可节约油料采购费用为：

（2064-1878）×24×200×3900=348.19（万元）。

⑶上述两项合计节约费用为：18.86+348.19=367.05万元。

⑷风机、燃油泵电动机所用变频器具体型号为两台TD2000-4T2000G和一台TD2000-4T0550G型变频器，总价共计为20.5万元，很显然当年即可产生较高效益。

4 结论

本文通过变频调速在风机、油泵上的应用，使电机启动电流平滑过渡，实现了软启/停，消除了机械冲击和电流对船舶电网的冲击，且能根据负荷的变化状况，自动控制鼓风机、燃油泵的转速，保持炉膛处于微负压状态，使风压、油压处于最佳比例值，形成良好的控制，使的电机功率小，燃油消耗少，热效率高，充分利用能源，减少了电机、风机轴承磨损，延长了风机的使用寿命，降低了维修工作量，增强了设备的稳定性、可靠性，提高了经济效益［5］，达到了节能降耗的目的。

（References）

［1］安晋华.浅析变频调速技术在风机泵类应用中的节能效果［J］.山西能源与节能，2009，4（2）∶36-37.

［2］王庆丰，李国安，苗国宽. 锅炉风机变频调节应用实践［J］.节能技术.2004，22（1）∶57-58.

［3］白君.交流变频调速异步电动机节能计算方法探析［J］.能源与节能，2012，12（12）∶51-52.

［4］杨德印，王道川，樊胜民，等.电动机的控制与变频调速原理［M］.北京：机械工业出版社，2011∶201-205.

［5］李国平，胡鸣.变频技术在锅炉风机上的应用［J］.应用能源技术，2007（4）∶28-30.

赵富国（1974-），男，本科，高级技师，主要研究方向：船舶动力系统。