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摘要： 变频改造对于节能有着极大的作用。锅炉风机变频改造，节约电能，取得了较大的经济效益和社会效益。本文详细介绍了锅炉引风机的改造过程以及变频后产生的经济效益和社会效益。
关键词：锅炉 引风机 变频改造 节能 转速 DCS
【中图分类号】TM921.51
前 言
我单位机械厂车间有35吨锅炉作为节能改造工程的配套工程，于2009年3月正式开始生产。该锅炉由某设计院承担设计，锅炉型号为WGZ35/3.82—18，锅炉引风机型号为Y4—93No17.5D，Q=180000，压力9500pa ，配套原动机电机为Y2—355L1—6，功率220Kw，额定电流380V/401A，标称COSФ0.88。原电气控制采用软起控制，风机风量调节采用传统的进风门挡板调节。
风机最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
1 改造前状态
在实际运行中，由于采用进风门挡板调节，大部分的能量都被消耗在挡板上及管网中，且挡板的开度越小，能源浪费越大。同时，受我们的工艺工况影响，风机挡板长期开度不超过30%，风机远离额定点运行，其实际效率很低。2009年10月，测量数据如下表：
（表一）
引风机电机 日期 电压（V） 电流（A） 风机挡板开度
10月7日 380 130 26%
10月8日 380 140 28%
10月9日 380 145 30%
从以上数据可以看出， 在一般情况下，采用挡板调节的风机其实际消耗功率与风量大致成正比，与风门的开度也大致成正比，能源消耗较大，运行效率较低。
2 变频改造可行性分析
根据流体力学基本定律可知：风机﹑泵类均为平方转矩负载。 风机﹑泵类通用设备的用电占电动机用电的50%左右，具有关统计约占全国用电量的30%。采用电动机变频调速来调节流量，比用挡板﹑阀门之类来调节，可节电20%～50%，如果平均按30%计算，节省的电量为全国总用电量的9%，这将产生巨大的社会效益和经济效益。
2.1变频调速技术的原理：
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=n1（1-s）=60f1/p（1-s） 可知，异步电动机通常是以改变转差率S、磁极对数P和供电频率f，来达到改变转速的目的。引风机变频调速就是利用改变电压频率达到改变电机转速，通过控制转速来调节风速流量。
变频调速技术调节系统是一个PID反馈调节系统，它以风机的出口压力作为被调参数，通过实测的机后压力与给定的偏差信号输送给变频控制器，由变频控制器来改变电机电源的频率。从而控制电机转速，达到改变机后流量，稳定机后压力的目的。
2.2变频调速技术的运行特性：
变频调速实现电机宽范围无极调速。启动过程电机根据给定频率参数逐级加大输入功率，转速逐步加至工况所需的转速。它实现了系统的压力、流量等工况下的闭环自动调节。
由风机的风压—风量特性图可以看出，变频调速机后的节电效果。由风机的理论推导可知：流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。图中曲线H为风机的风压特性（代表在某一恒定转速下，风压同流量的关系），曲线R为管道的风阻特性（代表挡板在某一开度下，管道的通风阻力与流量的关系），二者的交点A即为风机运行的工作点（此时风机的压力与管道的通风阻力大小相等，方向相反，处于稳定运转状态）。
如图所示，控制挡板开度，若使流量减少为50%时，风阻曲线R变为R50（曲线H不变，为额定转速），所需功率可用0、Q50、A1、H1 围成的面积表示（此面积等于Q与H的积，同功率P成正比）
采用变频调速技术降低转速使流量同样减为50%时，风机的风压特性曲线H变为H50（曲线R不變，依然为挡板全开），所需的功率可由0、Q50、A2、H2 的面积表示。
显然阴影面积就代表二者之差，为可以节约的功率值。流量越小，节约的功率越大。
2.3变频调速技术的在工作中的理论节能效果
由于目前的风机﹑泵类设备运行效率低，耗电量过大，设计过程过多考虑建设前后长期工艺要求的差异，使裕量过大。如火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的鼓风机，引风机的风量裕度分别为5%和5～10%，风压裕度为10%和10%～15%，设计过程中很难计算管网的阻力，考虑长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总把系统的最大风量和风压裕量作为选型的依据，但风机的系列是有限的，往往选不到合适的风机型号就往上靠，20%～30%的比较常见。生产中实际操作时，常用阀门、挡板进行节流调节，增加了管路的阻尼，电机仍旧以额定速度运行，这时能量消耗较大。如果用变频器对风机﹑泵类设备进行调速控制，不需要再用阀门、挡板进行节流调节，将它们开到最大，管路阻尼最小，能耗也大为减少。
对风机、泵类，采用挡板调节流量对应电机输入功率PL与流量Q的关系，节能量可用GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南宣讲教材中的计算公式，即：
式中：Pe－额定流量时电机输入功率kW
QN－额定流量
若流量的调节范围（0.5～1）QN，则调节节电率为
根据我们实际引风机使用情况来看，Q/QN近似于为0.6（未带发电机组情况下），则
节电率理论来看为74%。 3 变频改造及实际的效率分析
经上报有关部门批准，车间与10月份开始组织人员对35吨锅炉引风机进行变频改造，考虑到必须保证锅炉的安全运行，及必须时刻满足厂内生产的需要，我们在保留原软起回路同时，新增一套变频系统，利用控制回路中的转换开关来选择“节电”还是“市电”运行模式。
同时共一套DCS控制回路，利用该变频器的远传接口，新增变频DCS显示信号，及DCS控制调节系统至中央控制室，实现集中控制。变频器选用国内某厂生产的K100—G系列，适配电机220kW的V/f控制方式变频器。并与2009年10月19日全部工程改造完毕，变频系统运行至今，锅炉风量、负压调整较以往更加灵敏、可靠，风机系统运行更加平稳，节能效果明显，现将统计数据分析如下：
（表二）
引
风
机
电
机 时间 一次电压（V） 一次电流（A） 二次电压（V） 二次电流（A） 挡板开度 变频频率（Hz）
10月20日 380 28 192 94 26 25.62
10月21日 380 30 196 95 28 26.74
10月22日 380 35 222 97 30 29.68
通过功率计算公式P=1.732UIcosФ我们可以得出：（均取电流最大值计算，因变频改造后cosФ值可提高到0.9以上，而改造前电机cosФ值设计为0.88，实际远低于0.8）
△ P=P1-P2=1.732×380×145×0.8-1.732×380×35×0.9
=55.62kW·h
△ P为节能电量
cosФ改造前取0.8，改造后取0.9
按35吨锅炉年运行时间为320天计算，改造后的锅炉引风机节电为
△ P=320×24×55.62=427161.6 kW·h
按每度电0.5元计算，年节电427161.6×0.5=213580.8元
4 其他效益
4.1 采用变频调节后，电机的电压、电流明显下降，电机输入功率明显减少。通过调节电机转速实现节能，在负荷较低情况下，电机、风机转速也较低，主设备与相应的辅助设备如轴承箱轴承等磨损、机组震动也较以往减轻，润滑、维护、检修周期延长。
4.2运行工况点明显改善，风门可以全部打开，完全由转速调节流量，对生产操作方便，有利于风门的维护保养，延长使用寿命
4.3 操作简单，运行灵敏、方便。运行人员可通过DCS界面或变频器人机对话界面直接操作，给定电机一定频率，调整风机风量，实现智能调节，简化了操作程序，優化了劳动强度。
4.4 采用变频器后，提高了动力线路功率因数，大大节约了系统无功消耗。
4.5节电率在20%～70%，具有较大的节能效益，设备投资回收期短。
5 结束语
通过对机械厂车间35吨锅炉的引风机进行变频改造，节能效果十分明显，经济效益相当可观。
针对实际改造经验来说，同时我们也要注意：
5.1一般风机，泵类负载不宜在某一低频以下工作，以免发生逆流，喘振现象，所以在变频器试车调试中需特别注意。
5.2因锅炉安全生产直接影响整个冶化工艺，所以为了防止变频故障造成锅炉不能开炉的现象发生，我们特别保留了原有的电器回路，以备变频故障时使用。
5.3视风机工况情况而定，必须设定变频器的上限频率和下限频率。
作者简介：
周军，1967年出生，湖南省永州市人，中共党员，电气工程专业本科学历，电气工程师，现主要从事电气管理及机械等工作。
关键词：锅炉 引风机 变频改造 节能 转速 DCS
【中图分类号】TM921.51
前 言
我单位机械厂车间有35吨锅炉作为节能改造工程的配套工程，于2009年3月正式开始生产。该锅炉由某设计院承担设计，锅炉型号为WGZ35/3.82—18，锅炉引风机型号为Y4—93No17.5D，Q=180000，压力9500pa ，配套原动机电机为Y2—355L1—6，功率220Kw，额定电流380V/401A，标称COSФ0.88。原电气控制采用软起控制，风机风量调节采用传统的进风门挡板调节。
风机最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
1 改造前状态
在实际运行中，由于采用进风门挡板调节，大部分的能量都被消耗在挡板上及管网中，且挡板的开度越小，能源浪费越大。同时，受我们的工艺工况影响，风机挡板长期开度不超过30%，风机远离额定点运行，其实际效率很低。2009年10月，测量数据如下表：
（表一）
引风机电机 日期 电压（V） 电流（A） 风机挡板开度
10月7日 380 130 26%
10月8日 380 140 28%
10月9日 380 145 30%
从以上数据可以看出， 在一般情况下，采用挡板调节的风机其实际消耗功率与风量大致成正比，与风门的开度也大致成正比，能源消耗较大，运行效率较低。
2 变频改造可行性分析
根据流体力学基本定律可知：风机﹑泵类均为平方转矩负载。 风机﹑泵类通用设备的用电占电动机用电的50%左右，具有关统计约占全国用电量的30%。采用电动机变频调速来调节流量，比用挡板﹑阀门之类来调节，可节电20%～50%，如果平均按30%计算，节省的电量为全国总用电量的9%，这将产生巨大的社会效益和经济效益。
2.1变频调速技术的原理：
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=n1（1-s）=60f1/p（1-s） 可知，异步电动机通常是以改变转差率S、磁极对数P和供电频率f，来达到改变转速的目的。引风机变频调速就是利用改变电压频率达到改变电机转速，通过控制转速来调节风速流量。
变频调速技术调节系统是一个PID反馈调节系统，它以风机的出口压力作为被调参数，通过实测的机后压力与给定的偏差信号输送给变频控制器，由变频控制器来改变电机电源的频率。从而控制电机转速，达到改变机后流量，稳定机后压力的目的。
2.2变频调速技术的运行特性：
变频调速实现电机宽范围无极调速。启动过程电机根据给定频率参数逐级加大输入功率，转速逐步加至工况所需的转速。它实现了系统的压力、流量等工况下的闭环自动调节。
由风机的风压—风量特性图可以看出，变频调速机后的节电效果。由风机的理论推导可知：流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。图中曲线H为风机的风压特性（代表在某一恒定转速下，风压同流量的关系），曲线R为管道的风阻特性（代表挡板在某一开度下，管道的通风阻力与流量的关系），二者的交点A即为风机运行的工作点（此时风机的压力与管道的通风阻力大小相等，方向相反，处于稳定运转状态）。
如图所示，控制挡板开度，若使流量减少为50%时，风阻曲线R变为R50（曲线H不变，为额定转速），所需功率可用0、Q50、A1、H1 围成的面积表示（此面积等于Q与H的积，同功率P成正比）
采用变频调速技术降低转速使流量同样减为50%时，风机的风压特性曲线H变为H50（曲线R不變，依然为挡板全开），所需的功率可由0、Q50、A2、H2 的面积表示。
显然阴影面积就代表二者之差，为可以节约的功率值。流量越小，节约的功率越大。
2.3变频调速技术的在工作中的理论节能效果
由于目前的风机﹑泵类设备运行效率低，耗电量过大，设计过程过多考虑建设前后长期工艺要求的差异，使裕量过大。如火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的鼓风机，引风机的风量裕度分别为5%和5～10%，风压裕度为10%和10%～15%，设计过程中很难计算管网的阻力，考虑长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总把系统的最大风量和风压裕量作为选型的依据，但风机的系列是有限的，往往选不到合适的风机型号就往上靠，20%～30%的比较常见。生产中实际操作时，常用阀门、挡板进行节流调节，增加了管路的阻尼，电机仍旧以额定速度运行，这时能量消耗较大。如果用变频器对风机﹑泵类设备进行调速控制，不需要再用阀门、挡板进行节流调节，将它们开到最大，管路阻尼最小，能耗也大为减少。
对风机、泵类，采用挡板调节流量对应电机输入功率PL与流量Q的关系，节能量可用GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南宣讲教材中的计算公式，即：
式中：Pe－额定流量时电机输入功率kW
QN－额定流量
若流量的调节范围（0.5～1）QN，则调节节电率为
根据我们实际引风机使用情况来看，Q/QN近似于为0.6（未带发电机组情况下），则
节电率理论来看为74%。 3 变频改造及实际的效率分析
经上报有关部门批准，车间与10月份开始组织人员对35吨锅炉引风机进行变频改造，考虑到必须保证锅炉的安全运行，及必须时刻满足厂内生产的需要，我们在保留原软起回路同时，新增一套变频系统，利用控制回路中的转换开关来选择“节电”还是“市电”运行模式。
同时共一套DCS控制回路，利用该变频器的远传接口，新增变频DCS显示信号，及DCS控制调节系统至中央控制室，实现集中控制。变频器选用国内某厂生产的K100—G系列，适配电机220kW的V/f控制方式变频器。并与2009年10月19日全部工程改造完毕，变频系统运行至今，锅炉风量、负压调整较以往更加灵敏、可靠，风机系统运行更加平稳，节能效果明显，现将统计数据分析如下：
（表二）
引
风
机
电
机 时间 一次电压（V） 一次电流（A） 二次电压（V） 二次电流（A） 挡板开度 变频频率（Hz）
10月20日 380 28 192 94 26 25.62
10月21日 380 30 196 95 28 26.74
10月22日 380 35 222 97 30 29.68
通过功率计算公式P=1.732UIcosФ我们可以得出：（均取电流最大值计算，因变频改造后cosФ值可提高到0.9以上，而改造前电机cosФ值设计为0.88，实际远低于0.8）
△ P=P1-P2=1.732×380×145×0.8-1.732×380×35×0.9
=55.62kW·h
△ P为节能电量
cosФ改造前取0.8，改造后取0.9
按35吨锅炉年运行时间为320天计算，改造后的锅炉引风机节电为
△ P=320×24×55.62=427161.6 kW·h
按每度电0.5元计算，年节电427161.6×0.5=213580.8元
4 其他效益
4.1 采用变频调节后，电机的电压、电流明显下降，电机输入功率明显减少。通过调节电机转速实现节能，在负荷较低情况下，电机、风机转速也较低，主设备与相应的辅助设备如轴承箱轴承等磨损、机组震动也较以往减轻，润滑、维护、检修周期延长。
4.2运行工况点明显改善，风门可以全部打开，完全由转速调节流量，对生产操作方便，有利于风门的维护保养，延长使用寿命
4.3 操作简单，运行灵敏、方便。运行人员可通过DCS界面或变频器人机对话界面直接操作，给定电机一定频率，调整风机风量，实现智能调节，简化了操作程序，優化了劳动强度。
4.4 采用变频器后，提高了动力线路功率因数，大大节约了系统无功消耗。
4.5节电率在20%～70%，具有较大的节能效益，设备投资回收期短。
5 结束语
通过对机械厂车间35吨锅炉的引风机进行变频改造，节能效果十分明显，经济效益相当可观。
针对实际改造经验来说，同时我们也要注意：
5.1一般风机，泵类负载不宜在某一低频以下工作，以免发生逆流，喘振现象，所以在变频器试车调试中需特别注意。
5.2因锅炉安全生产直接影响整个冶化工艺，所以为了防止变频故障造成锅炉不能开炉的现象发生，我们特别保留了原有的电器回路，以备变频故障时使用。
5.3视风机工况情况而定，必须设定变频器的上限频率和下限频率。
作者简介：
周军，1967年出生，湖南省永州市人，中共党员，电气工程专业本科学历，电气工程师，现主要从事电气管理及机械等工作。