鍋爐風(fēng)機(jī)變頻改造可行性研究

張漢波 本鋼板材股份有限公司發(fā)電廠

一、引言

由于目前絕大部分風(fēng)機(jī)都采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)流量，造成大量的節(jié)流損耗，大部分風(fēng)機(jī)或泵均采用額定功率運(yùn)行，并不考慮節(jié)電節(jié)能效益，本鋼板材股份有限公司發(fā)電廠高壓作業(yè)區(qū)現(xiàn)階段廠用電率為12%，其中風(fēng)機(jī)占其中廠用電的40%。當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)擋板關(guān)小產(chǎn)生大量節(jié)流損失，但風(fēng)機(jī)功率并未減少，消耗電量也并未減少，導(dǎo)致機(jī)組廠用電率高，機(jī)組效率低下。若采用高壓變頻技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來匹配低負(fù)荷運(yùn)行工況，減少風(fēng)機(jī)耗電量，降低廠用電率，提高機(jī)組整體效率。同時(shí)采用變頻系統(tǒng)也可以通過PID控制系統(tǒng)形成閉環(huán)反饋，可以保證風(fēng)壓不會(huì)大幅度波動(dòng)維持風(fēng)壓穩(wěn)定，可降低發(fā)電廠事故率，減少運(yùn)行人員工作負(fù)擔(dān)。變頻器也可以實(shí)現(xiàn)大電機(jī)的軟停機(jī)和軟啟動(dòng)，避免了大型電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊，減少了大型電氣設(shè)備的故障率?？梢云鸬奖Ｗo(hù)設(shè)備，降低故障率，減少運(yùn)行人員工作負(fù)擔(dān)，提高發(fā)電廠整體效率，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

所以風(fēng)機(jī)若采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有巨大的節(jié)能潛力。直到上世紀(jì)九十年代，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器很快占領(lǐng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速市場(chǎng)，并向高壓領(lǐng)域發(fā)展，使采用高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造成為可能[1]。本鋼板材股份有限公司發(fā)電廠高壓車間21#爐，25#爐，26#爐風(fēng)機(jī)均采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)，本次項(xiàng)目擬對(duì)21#爐1#、2#送風(fēng)機(jī)，25#爐1#、2#吸風(fēng)機(jī)，26#爐1#、2#吸風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，設(shè)備數(shù)據(jù)及工況如下：

21#爐送風(fēng)機(jī)配套的電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：

25#、26#爐吸風(fēng)機(jī)配套的電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：

二、風(fēng)機(jī)運(yùn)行中存在的問題

（一）能耗方面

本鋼板材股份有限公司發(fā)電廠高壓作業(yè)區(qū)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)現(xiàn)采用工頻運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷減小時(shí)，鍋爐所需一次風(fēng)風(fēng)量減少，運(yùn)行人員通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板開度對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)風(fēng)機(jī)擋板開度減小時(shí)一次風(fēng)風(fēng)量減少。但由于擋板開度關(guān)小導(dǎo)致流體產(chǎn)生節(jié)流損失，同時(shí)摩擦阻力也相應(yīng)增大，局部損失增大。而且風(fēng)量減小后風(fēng)機(jī)運(yùn)行葉片轉(zhuǎn)速并未改變。風(fēng)機(jī)耗電量變化不大。由于機(jī)組運(yùn)行工況并不經(jīng)常在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，所以風(fēng)機(jī)擋板經(jīng)常不會(huì)全開，導(dǎo)致產(chǎn)生損失，同時(shí)低負(fù)荷下風(fēng)機(jī)功率無明顯減少[2]。導(dǎo)致機(jī)組廠用電率過高，鍋爐效率降低，發(fā)電機(jī)組整體效率降低。

（二）設(shè)備損耗方面

本鋼板材股份有限公司發(fā)電廠高壓作業(yè)區(qū)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)由于設(shè)備原因，經(jīng)常需要啟動(dòng)或停止。工頻運(yùn)行時(shí)設(shè)備啟動(dòng)或停止時(shí)電流過大。其啟動(dòng)電流一般為設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)電流的3-4倍導(dǎo)致風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)力矩過大會(huì)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的機(jī)械部分造成損壞降低其使用壽命。

當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片由于特殊工況造成葉片反轉(zhuǎn)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致其換相出錯(cuò)而使電機(jī)損壞，當(dāng)風(fēng)機(jī)制動(dòng)時(shí)也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備力矩過大增加設(shè)備能耗。增加了設(shè)備的損失減少了設(shè)備使用壽命。這些問題導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)使用過程中維護(hù)周期變短，維護(hù)量增大，維修費(fèi)用高等問題。

（三）運(yùn)行方面

運(yùn)行中為保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行人員需要保證爐膛風(fēng)壓穩(wěn)定，但由于負(fù)荷波動(dòng)，風(fēng)壓的反饋系統(tǒng)未形成閉環(huán)導(dǎo)致風(fēng)壓上下波動(dòng)較大，不利于運(yùn)行人員對(duì)機(jī)組的監(jiān)事和調(diào)整，容易導(dǎo)致運(yùn)行中鍋爐燃燒效果不好，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致鍋爐MFT動(dòng)作。造成生產(chǎn)事故。

（四）噪音問題

隨著時(shí)代的發(fā)展，國(guó)家對(duì)環(huán)保問題的重視，人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的提高。風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的噪音也得到了越來越多人的重視，風(fēng)機(jī)是發(fā)電廠中的一大噪音源。如果現(xiàn)場(chǎng)人員長(zhǎng)期處于大噪音的環(huán)境中工作對(duì)人員的身體健康十分有害。當(dāng)風(fēng)機(jī)采用工頻調(diào)節(jié)時(shí)由于流量減小風(fēng)機(jī)擋板關(guān)小，由于節(jié)流損失產(chǎn)生的噪音將達(dá)到86-100dB。其產(chǎn)生的高頻噪音對(duì)人員的身體健康產(chǎn)生了重大的影響。

三、變頻器的優(yōu)點(diǎn)

隨著時(shí)間的發(fā)展，大型泵與風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速已經(jīng)被確認(rèn)為最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方案。采用高壓變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)采用工頻運(yùn)行設(shè)備相比有很多優(yōu)點(diǎn)[3]。首先，可以減少操作人員的工作量，提高其工作效率，提高設(shè)備自動(dòng)化程度，使設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定，改善現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境。其次可以節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，達(dá)到降本增效的目的。下面對(duì)采用變頻調(diào)速運(yùn)行后的具體優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行論述。

（1）節(jié)能方面

當(dāng)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，經(jīng)計(jì)算其效果明顯節(jié)約電能較明顯，節(jié)電率可達(dá)30%-70%，其原因是根據(jù)相似定律泵或風(fēng)機(jī)的功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，所需流量減少。降低其轉(zhuǎn)速其節(jié)能效果相當(dāng)可觀。而傳統(tǒng)的工頻調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)行時(shí)流量減小后只能根據(jù)擋板開度來對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。其功率變化不大，起不到節(jié)能降耗的作用。由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)經(jīng)常達(dá)不到滿負(fù)荷運(yùn)行。所以其在節(jié)能降耗方面起到了相當(dāng)大的作用。

（2）電機(jī)運(yùn)行方面

變頻調(diào)速器通過改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的切換，此功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出端的換相，同時(shí)也不存在由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)換相出錯(cuò)導(dǎo)致的對(duì)電動(dòng)機(jī)損壞的問題。

變頻器系統(tǒng)在設(shè)備啟動(dòng)或停止時(shí)其升速或降速時(shí)間可以通過系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，可以采用較平緩的升速和減速時(shí)間達(dá)到大型設(shè)備軟啟動(dòng)和軟停止的目的。防止大型設(shè)備啟停是電流過大，可達(dá)到節(jié)約電能，減少不必要的損失的目的。

當(dāng)大型設(shè)備停止時(shí)，變頻器可以采用自身內(nèi)部的制動(dòng)回路，通過將葉片旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換到制動(dòng)電阻上。而且變頻器在制動(dòng)設(shè)備時(shí)不需要額外添加控制電路，可以通過變頻器給電機(jī)加上直流電壓達(dá)到制動(dòng)功能，可減少設(shè)備方面的投資

（3）設(shè)備運(yùn)行方面

與工頻運(yùn)行的設(shè)備相比，變頻運(yùn)行設(shè)備啟動(dòng)時(shí)與電機(jī)相連的機(jī)械部分不會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，減少了振動(dòng)對(duì)設(shè)備機(jī)械部分的磨損和損耗。提高了設(shè)備的使用壽命。而且由于其停止方式可以控制所以可以減少機(jī)械部位的磨損和設(shè)備的碰磨提高了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了設(shè)備故障率提高了設(shè)備運(yùn)行的壽命。

四、變頻器節(jié)能原理

根據(jù)相似定律，幾何相似的泵與風(fēng)機(jī)，在相似工況下運(yùn)行時(shí)，其功率之比與幾何尺寸比的五次方成正比，與轉(zhuǎn)速比的三次方成正比，與密度比的一次方成正比，與機(jī)械效率比的一次方成反比。

當(dāng)風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)其H（揚(yáng)程）-Q（流量）曲線如圖1所示，其中N為風(fēng)機(jī)的特性曲線。曲線1為滿負(fù)荷運(yùn)行，即閥門全開時(shí)運(yùn)行工況即揚(yáng)程與流量的平方成正比。當(dāng)風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，流量由Q1減小至Q2時(shí)，此時(shí)工頻調(diào)節(jié)關(guān)小閥門，產(chǎn)生節(jié)流損失、摩擦損失增大，曲線由曲線1變?yōu)榍€2。運(yùn)行工況點(diǎn)由C1變?yōu)镃2?？梢钥闯隽髁繙p少后，泵的揚(yáng)程卻增加。導(dǎo)致軸功率（P）即工況點(diǎn)橫縱坐標(biāo)圍成矩形面積變化不大。

圖1

當(dāng)采用變頻運(yùn)行時(shí)即當(dāng)流量減小時(shí)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其H（揚(yáng)程）-Q（流量）曲線如圖2所示，當(dāng)減小轉(zhuǎn)速時(shí)其特性曲線由圖中N1移動(dòng)到N2位置，由于節(jié)流損失不變，其管道特性曲線不改變。運(yùn)行工況點(diǎn)由C1’移動(dòng)到C2’。其軸功率（P）即工況點(diǎn)橫縱坐標(biāo)圍成的矩形面積明顯減小。

圖2

由圖3可以看出，當(dāng)分別采用變頻運(yùn)行與工頻運(yùn)行時(shí)流量同時(shí)由Q1減小至Q2時(shí)，其運(yùn)行工況點(diǎn)的軸功率（P）即工況點(diǎn)橫縱坐標(biāo)圍成的矩形面積有明顯差值[4]。

綜上所述當(dāng)運(yùn)行流量減少時(shí)，變頻運(yùn)行(即通過轉(zhuǎn)速改變其運(yùn)行工況)比工頻運(yùn)行（即通過調(diào)節(jié)閥門開度改變其運(yùn)行工況）功率有明顯降低，當(dāng)變工況運(yùn)行時(shí)可減少設(shè)備耗電，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

五、變頻器改造后節(jié)能效果的預(yù)算

葉片式風(fēng)機(jī)水泵的負(fù)載特性屬于平方轉(zhuǎn)矩型，即其軸上需要提供的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比[5]。風(fēng)機(jī)水泵在滿足三個(gè)相似條件：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的情況下遵循相似定律；對(duì)于同一臺(tái)風(fēng)機(jī)（或水泵），當(dāng)輸送的流體密度ρ不變僅轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其性能參數(shù)的變化遵循比例定律：流量（Q）與轉(zhuǎn)速（n）的一次方成正比；揚(yáng)程（H）、壓力（p）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；軸功率（P）則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

并根據(jù)表1（如下）所得數(shù)據(jù)，求出各個(gè)風(fēng)機(jī)變頻改造后的理論節(jié)電量

表1.離心式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同風(fēng)量（風(fēng)門開度）和不同控制方式時(shí)的軸功率

軸功率：由原動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)裝置傳到風(fēng)機(jī)軸上的功率，稱為風(fēng)機(jī)的軸功率。

式中：Q---風(fēng)機(jī)風(fēng)量（m3/s ）；

p---風(fēng)機(jī)全壓 (kPa)；

ηr－傳動(dòng)裝置效率；

ηf－風(fēng)機(jī)效率；

（一）21#爐送風(fēng)機(jī)

1#、2#送風(fēng)機(jī)采用調(diào)節(jié)入口擋板開度的方式控制風(fēng)量

1#送風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行電流為21.2A，電壓6.31KV，入口擋板開度為55.6%；則所需入口流量按額定流量的83%計(jì)算；此時(shí)所耗功率為全風(fēng)量功率的73%。

工頻耗電：6.31kV×21.2A×1.732×0.85＝196.9kW

(說明：P=1.732×U×I×COSφ)

變頻耗電：196.9kW/0.73×（0.83）3/0.96=160.7kW

（說明：由于變頻器有4%熱損耗，0.96為變頻器效率。）

節(jié)電率η：(工頻耗電－變頻耗電）/工頻耗電×100%＝（196.9-160.7）/196.9×100%＝18.3%

因此，工頻運(yùn)行時(shí)平均運(yùn)行功率為196.9kW，每臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行按8160小時(shí)（累計(jì)停機(jī)檢修約20天）?？捎?jì)算出1#送風(fēng)機(jī)年節(jié)電量＝(196.9kW×18.3%）×8160h＝294026kWh，即1#送風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造后總年節(jié)電量約29.4萬度，節(jié)約資金約為294026×0.52=152893元。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況可能與理論計(jì)算值有差異，實(shí)際節(jié)電率會(huì)略低，以上數(shù)據(jù)僅供參考

2#送風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行電流為21.3A，電壓6.31KV，入口擋板開度為73.9%；則所需入口流量按額定流量的90%計(jì)算；此時(shí)所耗功率為全風(fēng)量功率的82%。

工頻耗電：6.31kV×21.3A×1.732×0.85＝197.8kW

變頻耗電：197.8kW/0.82×（0.90）3/0.96=183.2kW

節(jié)電率η：(工頻耗電－變頻耗電）/工頻耗電×100%＝（197.8-183.2）/197.8×100%＝7.4%

因此，工頻運(yùn)行時(shí)平均運(yùn)行功率為197.8kW，每臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行按8160小時(shí)（累計(jì)停機(jī)檢修約20天）?？捎?jì)算出1#送風(fēng)機(jī)年節(jié)電量＝(197.8kW×7.4%）×8160h＝119136kWh，即2#送風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造后總年節(jié)電量約11.91萬度，節(jié)約資金約為119136×0.52=61950元。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況可能與理論計(jì)算值有差異，實(shí)際節(jié)電率會(huì)略低，以上數(shù)據(jù)僅供參考。

（二）25#爐吸風(fēng)機(jī)

1#吸風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行電流為47.3A，電壓6.31KV，入口擋板開度為57.3%；則所需入口流量按額定流量的84%計(jì)算；此時(shí)所耗功率為全風(fēng)量功率的74%[6]。

工頻耗電：6.31kV×47.3A×1.732×0.85＝439.4kW

變頻耗電：439.4kW/0.74×（0.84）3/0.96=366.6kW

節(jié)電率η：(工頻耗電－變頻耗電）/工頻耗電×100%＝（439.4-366.6）/439.4×100%＝16.6%

因此，工頻運(yùn)行時(shí)平均運(yùn)行功率為439.4kW，每臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行按8160小時(shí)（累計(jì)停機(jī)檢修約20天）?？捎?jì)算出1#吸風(fēng)機(jī)年節(jié)電量＝(439.4kW×16.6%）×8160h＝594048kWh，即1#吸風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造后總年節(jié)電量約59.4萬度，節(jié)約資金約為594048×0.52=308905元。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況可能與理論計(jì)算值有差異，實(shí)際節(jié)電率會(huì)略低，以上數(shù)據(jù)僅供參考

2#吸風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行電流為39.7A，電壓6.31KV，入口擋板開度為62.3%；則所需入口流量按額定流量的86%計(jì)算；此時(shí)所耗功率為全風(fēng)量功率的76%。

工頻耗電：6.31kV×39.7A×1.732×0.85＝368.8kW

變頻耗電：368.8kW/0.76×（0.86）3/0.96=321.5kW

節(jié)電率η：(工頻耗電－變頻耗電）/工頻耗電×100%＝（368.8-321.5）/368.8×100%＝12.8%

因此，工頻運(yùn)行時(shí)平均運(yùn)行功率為358.8kW，每臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行按8160小時(shí)（累計(jì)停機(jī)檢修約20天）?？捎?jì)算出2#吸風(fēng)機(jī)年節(jié)電量＝(368.8kW×12.8%）×8160h＝385968kWh，即2#吸風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造后總年節(jié)電量約38.6萬度，節(jié)約資金約為385968×0.52=200703元。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況可能與理論計(jì)算值有差異，實(shí)際節(jié)電率會(huì)略低，以上數(shù)據(jù)僅供參考。

（三）26#爐吸風(fēng)機(jī)

1#吸風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行電流為39.8A，電壓6.37KV，入口擋板開度為9.3%；則所需入口流量按額定流量的23%計(jì)算；此時(shí)所耗功率為全風(fēng)量功率的52%。

工頻耗電：6.37kV×39.8A×1.732×0.85＝373.2kW

變頻耗電：373.2kW/0.52×（0.23）3/0.96=9.1kW

節(jié)電率η：(工頻耗電－變頻耗電）/工頻耗電×100%＝（373.2-9.1）/373.2×100%＝97.6%

因此，工頻運(yùn)行時(shí)平均運(yùn)行功率為373.2kW，每臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行按8160小時(shí)（累計(jì)停機(jī)檢修約20天）。可計(jì)算出1#吸風(fēng)機(jī)年節(jié)電量＝(372.2kW×97.6%）×8160h＝2972224kWh，即1#吸風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造后總年節(jié)電量約297.2萬度，節(jié)約資金約為2972224×0.52=1545557元。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況可能與理論計(jì)算值有差異，實(shí)際節(jié)電率會(huì)略低，以上數(shù)據(jù)僅供參考。

2#吸風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行電流為50.6A，電壓6.37KV，入口擋板開度為71.7%；則所需入口流量按額定流量的90%計(jì)算；此時(shí)所耗功率為全風(fēng)量功率的81%。

工頻耗電：6.37kV×50.6A×1.732×0.85＝474.5kW

變頻耗電：474.5kW/0.81×（0.90）3/0.96=444.9kW

節(jié)電率η：(工頻耗電－變頻耗電）/工頻耗電×100%＝（474.5-444.9）/474.5×100%＝6.2%

因此，工頻運(yùn)行時(shí)平均運(yùn)行功率為474.5kW，每臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行按8160小時(shí)（累計(jì)停機(jī)檢修約20天）?？捎?jì)算出2#吸風(fēng)機(jī)年節(jié)電量＝(474.5kW×6.2%）×8160h＝241536kWh，即2#吸風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造后總年節(jié)電量約24.1萬度，節(jié)約資金約為241536×0.52=125599元。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況可能與理論計(jì)算值有差異，實(shí)際節(jié)電率會(huì)略低，以上數(shù)據(jù)僅供參考。

六、結(jié)束語(yǔ)

通過以上計(jì)算得出，風(fēng)機(jī)采用轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)量比用擋板門調(diào)節(jié)風(fēng)量更加節(jié)約電能。風(fēng)量的調(diào)節(jié)幅度越大，節(jié)能的效果就越好。由于目前絕大部分風(fēng)機(jī)都采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)流量，造成大量的節(jié)流損耗，所以風(fēng)機(jī)若采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有巨大的節(jié)能潛力。因此風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造的發(fā)展前景一片大好。