变频调速在海上平台风机节能降噪中的应用

2018-11-08张海荣

设备管理与维修 2018年15期

邹菁，张海荣

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

0 引言

我国大量使用的轴流风机普遍存在着效率低、噪声高的缺点。目前经常采用加装消声器来降低噪声；这不仅增加了投资成本而且在风机整个运行中由于消声器的压力损失而造成能源损耗，这对节约能源很不利[1]；尤其海洋石油平台，电力来源单一且稀缺，且平台空间有限另外增加降噪设备显然不现实。因而从风机本身出发进行节能降噪才是最有效的途径。实践表明，风机采用变频调速技术进行控制，不但运行管理方便，而且有利于节能降噪[2]。

随着电力电子技术、微电子技术、信息技术和现代控制理论在调速系统中的应用，变频调速技术已经成为现代电力传动的一个发展方向[3]。变频调速技术调速精确、调速范围广泛，而且变频技术在节电节能方面的优势是其他交流调速所无法实现的[4]。所以，将固频控制电机驱动的风机改为变频器控制，既保持了原电机结构简单，可靠耐用，又能达到节能降噪的显著，是电驱动风机调速节能的理想方法[3]。

1 变频调速技术及节能原理

1.1 变频调速技术

变频调速实现的主要设备就是变频器。变频器（Variablefrequency Drive，VFD）的作用是将交流电源的固定频率和电压转换为一个可变的频率和电压以便驱动电机。电机的转速将随频率的改变而线性变化。为了对电机转矩进行精确控制，在电机的整个转速范围内保持电压与频率比的恒定十分重要，即要使V/f正比于Φ（常数），其中，V为电机转速，f为电机频率，Φ为电机磁通量[5]。

变频器通过改变电机频率而达到无级调速的目的。频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是作为电机调速设备的优选设备[6]。因此通过变频器改变电机频率可以实现改变电机转速的目的。

1.2 变频调速节能原理

根据流体机械的公式有：Q2=Q1（n2/n1），H2=H1（n2/n1）2，P2=P1（n2/n1）3，即泵或风机流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需风量下降80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率降为51%；当所需风量为额定风量的50%时，而轴功率降为13%[7]。

变频器的变频调速是通过调节频率实现的，因此变频调速是风机节能的最佳方案。当工频情况下的频率是50 Hz，如果使用的频率是40 Hz，也就是频率下降至0.8，则电机转速下降至原额定转速的0.8，下降的幅度与频率下降的幅度成一次方程式关系，也就是线性关系，而且风机的风量下降也为额定风量的0.8。但风机的风压下降比例则变化大了，成二次方比例下降，即风压下降为0.8×0.8=0.64，风压会变为额定风压的0.64，下降了36%。至于输出功率，则成三次方比例关系即0.8×0.8×0.8=0.512，功率下降了48.8%，风量仅下降了20%，显然通过降低风机运行频率，节能效果非常明显，节能原理如图1所示[3]，其中，n1为风机在额定转速运行时的特性曲线，n2为风机降速运行在n2转速时的特性曲线，R1为风机管路阻力最小时的阻力特性曲线，R2为风机管路阻力增大到某一数组时的阻力特性曲线。

图1曲线原理说明，假设有风机正按特性曲线R1运行，此刻其工况点为A，流量和压力分别为Q1和Pl，此时风机所需的功率就等于APlOQ1所围成的四边形的面积。由于运行工况需要，将这台风机的风量从Q1减少到Q2时，如果通过减小风机风门的开度，则风道运行管网管道阻力会增加，这将导致风机的工况点移到特性曲线R2上的B点位置。由图可知，风机虽然实现了风量下降，风压却增大到P2位置，此时风机所需的功率等于BP2OQ2所围成四边形的面积。由图1可知，风机所需的功率有所增加。这种运行方式虽然容易实现降低风量但却不节能。如果运用变频调速技术，将该台风机运行转速由n1下降至n2，同时保持风门开度不变，此时风机的运行工况点将由A点移到C点，流量保持Q2不变，由图可知此时风压由Pl下降至P3，此时风机所需的功率就等于CP3OQ2的所围成四边形的面积，显然风机按照此种方式运行，节能效果非常明显。

图1 风机风压——风量特性曲线

2 变频调速降噪原理

海洋石油平台风机噪声，包括机械噪声（风机本体、电机，轴承振动等的噪声）和空气动力性噪声。其中以空气动力性噪声为主，其声压通常高于机械噪声10 dB以上，它通过通风机的进出口向周围空气传播[8]。

风机的空气动力噪声主要由旋转噪声和涡流噪声等2部分组成。研究表明，风机的这两类噪声中，旋转噪声与叶轮的圆周速度的10次方成比例，涡流噪声与叶轮圆周速度的6次方（或5次方）成比例。可见，在风机直径一定的情况下，叶轮的转速是影响轴流风扇噪声的重要因素，即就是转速越高噪声越大[9]。

因此，通过变频调速器在不影响使用效果条件下适当降低通风机的转速，便成为海洋石油平台风机降噪的重要方法。

3 变频调速节能降噪改造应用实例

3.1 改造前存在的问题

某平台变压器间共有2组6台7.5 kW轴流风机，3台进风机3台出风机，工作模式为4用2备，功率为30 kW，保证变压器间通风换气。但变压器间上方为员工生活区和办公区，风机在运转中会产生的噪声在启动4台风机时，该区域噪声为75 dB（关门），超过平台生活楼居住环境对噪声控制最低要求。

同时，这6台风机采用异步电机直接驱动，此种方式存在着一定的缺陷和问题，例如电气保护的特性较差、所启动的电流过大、产生机械冲击，同时由于风机没有较高的运行效率从而造成很大程度的电能浪费情况等诸多缺陷。

3.2 制定改造方案

如前所述，风机的电机采用变频调速控制，不仅节省电能而且可以降低噪声，同时风机运行的安全稳定性得到提高。因此，根据现场的实际情况，保留风机的驱动电机，将原电机由固频改为变频控制，仅需在原设备基础上增加变频柜和变频器即可。考虑到整体投资及系统的先进性和可靠性，对风机控制系统的改造采用施耐德交流变频器ATV61为核心的控制系统，变频柜采用该平台淘汰下来的废旧控制柜即可完成改造。