变频调速装置在煤气鼓风机系统中的应用

[关键词]可遍程序控制器 变频调速 节能 鼓风系统

　　摘要 ：通过对煤气鼓风运行工况的分析，为解决“大马拉小车” 的问题，应用变频调速装置和 变频软起 构成风压闭环控制系统，实现对煤气鼓风机风量的自动控制，解决了“大马拉小车” 的问题，达到了节能降耗的目的。

　　1 引言
　　在电气拖动设备的运行过程中，经常遇到这样的问题，即拖动设备的负荷变化较大，而动力源电机的转速却不变，也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化。在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍，浪费能源。在许多生产过程中采用变频调速实现电动机的变速运行，不仅可以满足生产的需要，而且还能降低电能消耗，延长设备的使用寿命。这里介绍的煤气鼓风机系统采用变频调，并应用 变频软起 构成风压闭环自动控系统，实现了电机负荷的变化变速运行自动调节风量，即满足了生产需要，又达到了节能降耗的目的。

　　2 工况分析
　　鼓风机系统构成如下。
　　（ 1 ）风机型号： 9-26 ，风量： 8588 ~ 10735m 3 /h ，风压： 10020~9630Pa 。
　　（ 2 ）电机型号： Y225M-2 ，功率： 45kW ，电压： 380V ，电流： 83.9A ，频率： 50Hz ，功率因数： 0.89 ，效率： 2970 r/min 。
　　鼓风机的特性曲线如图 1 所示。

　　通过对鼓风机几年来的恒速运动实际情况的记录分析，鼓风机系统运行规律如下：zui大负荷时的风量为 1600 m 3 /h ，电机的电流为 38A ，运行时间 1 个月；一般负荷的风量为 950 m 3 /h ，电机的电流为 36A ，运行时间 9 个月；zui低负荷时的风量为 500 m 3 /h ，电机的电流为 18A ，运行时间 2 个月。由此可以看出，对于该鼓风机来说，zui大负荷也不到额定负荷的一半，当风量下降时，用调节管道风门的方法来改变风道阻力，使功率下降不多，耗能仍很大，这由图 1 可以看出。
    图 1 中曲线 1 为风机在恒速下调节风门时的风压 - 风量（ H-Q ）特性，曲线 2 为恒速下调节风门时的功率 - 风量（ P-Q ）特性，曲线 3 为管网风阻（ R-Q ）特性。假设风机在设计时工作在 A 点效率zui高，输出风量 Q 1 * 。此时，轴功率 P 1 与 Q 1 、 H 1 的乘积面积 AH1OQ 1 成正比（ AH 1 OQ 1 为耗能），根据生产工艺要求，当风量需从 Q 1 减少到 Q 2 （例如 50% 风量）时，如采用调节风门的方法调整风量，相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性由曲线 3 变到曲线 4 ，系统由原来的工况点 A 变到新的工况点 B 运行，尽管此时风量由 Q 1 减小到 Q 2 ，但风压反而由 H 1 增加到 H 2 ，轴功率 P 2 与 Q 2 、 H 2 的乘积面积 BH 2 OQ 2 成正比，功率的减少并不多，可见耗能仍然很大。
　　采用电气传动调速装置来调节风机电动机的转速是实现经济地调节风量、有效节能的*方法。我们选用变频调速装置对原煤气鼓风机系统进行了改造，将电机恒速运行改为按负荷变化的变速运行，得到风机合适的功率输出，达到了节能降耗的目的。

　　3 风机变频调速节能原理
　　交流异步电动机的转速公式为n = 60f / p (1- s ) （ 1 ）
　　由式（ 1 ）可以看出，电源频率 f 与转速 n 成正比。即改变频率可改变电机的转速。当改变风机的转速，由额定转速 n 1 调整到某一转速 n 2 时，理论上风量、风压及轴功率变化的关系如下： Q 2 = Q 1 (n 2 / n 1 ) ， H 2 = H 1 (n 2 / n 1 ) 2 ， P 2 = P 1 (n 2 / n 1 ) 3 。可见，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。由图 1 可以看出当风机转速由 n 1 降到 n 2 ，根据风机参数的比例定律，在转速 n 2 下的风压 - 风量特性如曲线 5 所示。 可见，在满足同样风量 Q 2 的情况下，风压 H 3 大幅度降低，功率 P 3 （相当于面积 CH 3 OQ 2 ）明显减小，节省的功率损耗 D P = P 1 -P 2 与面积 BH 2 H 3 C 成正比，节能效果十分明显。所以，采用改变风机转速的方法对风量和风压进行控制是zui合理和经济的。

　　4 系统构成
　　对原有煤气鼓风机加装变频调速装置，并且在鼓风机系统出口的管道上安装压力变送器，测定管道的风量变化，通过 变频软起 对管道压力信号的变换和处理，为变频调速装置提供参变量，实现对频率的自动调整，也就是说对电机的转速进行调整，以达到根据负荷变化调整输出功率，节能降耗的目的。
经过比较，我们选用日本富士变频器 FRN45P9S-4 ，德国西门子公司可编程序控制器 S7-200 ，组成风压变频调速自动控制装置，对原鼓风机系统进行改造。
　　4.1 硬件组成
　　系统构成框图如图 2 所示。

　　各部分主要功能分述如下
　　（ 1 ）操作台。实现系统操作控制及参数的设定与显示。
　　（ 2 ）可编程序控制器。选用 S7-200 可编程序控制器及 EM235 模拟量 I/O 模块，完成风压信号和操作信号可输入以及 变频软起 的控制输出。
　　（ 3 ）变频器。选用 FRN45P9S-4 变频器，具有手动和自动调速功能。
　　（ 4 ）切换装置。由继电器、接触器，开关等组成，实现 1 台变频器控制 3 台鼓风机的切换，以及在变频器故障时鼓风机的旁路工频运行。
　　（ 5 ）压力变送器。选用 CECY 型电容器式变送器，测定管道的风量变化。
　　4.2 软件框图
　　变频软起 软件采用梯形图语言，实现各种逻辑顺序控制，风压闭环控制等，程序框图如图 3 所示。

　　在软件设计中利用 变频软起 定时中断功能完成数据采样，数字滤波， PID 运算及控制输出。

　　5 运行结果
　　变频调速装置安装投入运行后，风门全部打开，在压力为 2200 Pa ，风量为 600 m 3 /h ，即可满足生产要求。此时测得的系统参数如下：变频器输出频率为 25 Hz ，电压为 189 V ，电流为 20 V ；电机转速为 1485 r/min 。实际运行工况在以下几个方面有了明显改善： ? 噪声由 80 dB 降为 40 dB 左右； ? 风量（压力）控制自动化，降低劳动强度，故障率降低； ? 运行参数观测直观，可同时显示压力、频率、转速、电压、电流、转矩等运行参数； ? 管道阀门全部打开，节门损失大大降低。

　　6 节约电能计算
　　采用变频调速前全年总耗能为 1.511 × 10 5 kW · h ，变频调速后全年总耗能为 4.53 × 10 4 kW · h 。采用变频调速后全年节约电能为 10.58 × 10 4 kW · h 。
另外在投运变频调速装置后，根据运行工况测算，可延长修周期 1 ～ 2 年，每年可节约大修费用约 2 万元。

　　7 结论
　　实践证明，在煤气鼓风机系统中采用变频调速运行方式，可以根据负荷的变化自动调节风机的转速，解决了“大马拉小车”的问题，为降低生产成本，延长设备使用寿命，节能降耗，减轻劳动强度，改善工作环境开创了新的途径。