1 引言
風(fēng)機(jī)是一種量大面廣、耗電量極大的動(dòng)力機(jī)械。我國(guó)每年風(fēng)機(jī)的電能消耗占總消耗的10％以上，在電力、鋼鐵、煤炭、冶煉工業(yè)中，風(fēng)機(jī)的耗電量往往占生產(chǎn)用電的20％以上。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)的節(jié)能研究具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。
風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中流量的調(diào)節(jié)常采用改變擋板開度的方式，因而在擋板上產(chǎn)生了附加的壓力損失。浪費(fèi)了大量能源。采用變頻調(diào)速技術(shù)改造風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約能源，而且使系統(tǒng)運(yùn)行更加合理可靠，這已成為廣大工程技術(shù)人員的共識(shí)。但是，如何確定風(fēng)機(jī)的調(diào)速比，使其運(yùn)行在高效區(qū)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)效率優(yōu)化運(yùn)行，文獻(xiàn)報(bào)道極少。對(duì)于單臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，問題較為簡(jiǎn)單;當(dāng)多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)或串聯(lián)時(shí)，這實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線性規(guī)劃問題。
本文分析了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行工況，根據(jù)管網(wǎng)特性分為兩類系統(tǒng)，針對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行、多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行分析了最佳控制策略，確定最佳調(diào)速比[3]。系統(tǒng)己在我電廠投入運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況分析
2.1 風(fēng)機(jī)特性
風(fēng)機(jī)的p-q特性曲線(即壓力—流量曲線)目前還不能用理論方法精確計(jì)算得出，而只能依靠實(shí)驗(yàn)方法[3]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速n0下運(yùn)行時(shí)，可按下述方程對(duì)其p-q特性進(jìn)行擬合:
p＝px-sxq2 (1)
式中:px和sx為擬合參數(shù)。
對(duì)于具有駝峰的p-q特性曲線不符合上述方程。這種特性有可能使風(fēng)機(jī)處于不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)有可能出現(xiàn)喘振，選擇風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)避免，故本文不考慮該特性。
由風(fēng)機(jī)的相似定理，當(dāng)轉(zhuǎn)速下調(diào)時(shí)，p-q曲線平行下移。若轉(zhuǎn)速下調(diào)到n1，則p-q特性變?yōu)?
p＝kpx-sxq2 (2)
式中:k＝(n1/n0)2，為調(diào)速比。
根據(jù)η-q特性曲線，q過高或過低時(shí)，其效率η 將急劇下降，故應(yīng)限制流量范圍為[qmin，qmax];轉(zhuǎn)速過低時(shí)。η也很低，故還應(yīng)限制調(diào)速范圍為[kmin，1]。`n這樣可保證風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)。如圖1所示。

圖1 p-q特性與η-q特性

當(dāng)多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，通過將各風(fēng)機(jī)在相同壓力下的流量相加，可得并聯(lián)后的p-q特性;串聯(lián)工作時(shí)，通過將各風(fēng)機(jī)在相同流量下的壓力相加，可得到串聯(lián)后的p-q特性。
2.2 管路特性與系統(tǒng)分類
當(dāng)風(fēng)流過管路時(shí)，受到阻力摩擦而產(chǎn)生的壓力損失可由下式的管網(wǎng)特性表示:
r=pst+sq2 (3)
式中，r為管網(wǎng)阻力; s為管網(wǎng)阻力系數(shù); pst為系統(tǒng)的工作壓力要求，即管網(wǎng)出口處壓力高出風(fēng)機(jī)引風(fēng)口的壓力值。
系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的，風(fēng)機(jī)提供的壓力與r平衡p-q曲線與管網(wǎng)特性曲線的交點(diǎn)為風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。
風(fēng)機(jī)系統(tǒng)根據(jù)pst可大致分為兩種類型:一種是對(duì)壓力無要求，根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)流量，如鍋爐的風(fēng)機(jī)礦井的通風(fēng)等。二是保證壓力恒定，流量由用戶控制，如煤氣輸送等。
2.3 節(jié)能原理
對(duì)于第1類系統(tǒng)，常采用調(diào)節(jié)擋板開度的方式來調(diào)節(jié)流量，這種方式實(shí)質(zhì)上利用改變管網(wǎng)特性來改變風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 擋板調(diào)節(jié)與調(diào)速調(diào)節(jié)

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原風(fēng)機(jī)工作在a點(diǎn)，若通過調(diào)節(jié)擋板使流量降低為qb，則風(fēng)機(jī)將工作在b點(diǎn)，可見此時(shí)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力不但沒有減小，反而增大了，多余的能量浪費(fèi)在擋板上。若調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變p－q特性使工作點(diǎn)沿管網(wǎng)特性移動(dòng)到c點(diǎn)，可恰好滿足系統(tǒng)要求，使能量消耗大大減小。
對(duì)于第2類系統(tǒng)，常采用恒壓調(diào)節(jié)方式。根據(jù)最不利條件下的流量qa和用戶所需壓力pst確定風(fēng)機(jī)應(yīng)提供的壓力pa，選擇見機(jī)參數(shù)使其工作在a點(diǎn)(pa，qa)。
在運(yùn)行過程中，只檢測(cè)出風(fēng)機(jī)出口處壓力p，并根據(jù)p進(jìn)行調(diào)度，使風(fēng)壓恒定在pa。若流量由qa減小到qb，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)將沿水平線p＝pa移動(dòng)到c(pa，qb)點(diǎn)。風(fēng)機(jī)此時(shí)應(yīng)提供的壓力為pb:
pb=pst+sqb2 (4)
故多提供了pa-pb，這部分能量將消耗在管網(wǎng)中，浪費(fèi)了能源。
若同時(shí)根據(jù)流量q和用戶所需壓力pst進(jìn)行調(diào)度，可解決上述問題。若流量由qa減小到qb，根據(jù)式(3)和檢測(cè)到的流量qb，風(fēng)機(jī)此時(shí)應(yīng)提供的壓力為pb。調(diào)度風(fēng)機(jī)將工作在最佳工作點(diǎn)b點(diǎn)(pb，qb)，恰好滿足用戶需求。
可見，在這種調(diào)度過程中，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)沿管網(wǎng)特性曲線移動(dòng)，始終恰好滿足用戶需求且無能量浪費(fèi)，節(jié)能效果最好，如圖3所示。

圖3 調(diào)度原則

所謂最節(jié)能的工作點(diǎn)，就是使風(fēng)機(jī)的流量、壓力恰好滿足系統(tǒng)需要，使工作點(diǎn)沿管網(wǎng)特性移動(dòng)，風(fēng)機(jī)始終運(yùn)行在p-q曲線和原管網(wǎng)特性的交點(diǎn)上。兩類系統(tǒng)雖然要求不同，但早在調(diào)速策略上有很多相似之處。雖然第1類系統(tǒng)pst=0，但為了克服管網(wǎng)阻力r，風(fēng)機(jī)仍要提供一定的壓力p=r。因此，第1類系統(tǒng)可以看做是第2類系統(tǒng)pst=0時(shí)的特殊情況。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本項(xiàng)目選用的simovert mv系列變頻器為6kv/1600kva/12脈沖直接高進(jìn)高出方案，即6kv進(jìn)電，6kv出電，使用原有電機(jī)。
該變頻器為三電平變頻器，沒有器件的均壓?jiǎn)栴}，具有良好的低速特性，諧波分量小，動(dòng)態(tài)性能好，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。
變頻裝置具有工頻旁路功能，用于變頻與工頻之間的切換;旁路刀閘容量滿足工頻要求，刀閘具有防誤操作的機(jī)械閉鎖功能，并帶有電磁栓，以作為電氣連鎖的保護(hù)，防止誤操作。變頻器、斷路器、刀閘和電纜的一次電路見圖4。

圖4 變頻改造一次線路示意圖

變頻器的旁路柜具備“五防”功能，旁路刀閘、進(jìn)線刀閘和出線刀閘及斷路器之間具備以下閉鎖:旁路刀閘與進(jìn)線刀閘和出線刀閘機(jī)械連鎖，旁路刀閘閉合時(shí)，進(jìn)線刀閘和出線刀閘不能合;進(jìn)線刀閘和出線刀閘閉合時(shí)，旁路刀閘不能合;斷路器在閉合位置時(shí)，所有刀閘的電磁栓動(dòng)作，并鎖定刀閘，所有刀閘都不能操作。

4 應(yīng)用情況和注意問題
原系統(tǒng)采用調(diào)整入口導(dǎo)向葉片的方式，調(diào)整送、吸風(fēng)量，以保證鍋爐爐膛負(fù)壓、煙氣氧量及相應(yīng)的汽溫和汽壓的穩(wěn)定。這種葉片的截流損耗特別大，采用變頻技術(shù)后，不僅完全消除葉片的截流損耗，而且保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)，平均節(jié)電率30%以上，節(jié)能效果顯著。
在選擇高壓變頻器時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的問題:
(1) 可靠性及售后服務(wù)。這是關(guān)系到用戶能否很好應(yīng)用的關(guān)鍵。設(shè)備的可靠性(無故障率)如何，備件供應(yīng)怎樣，售后服務(wù)是否及時(shí)，現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)變頻器也日漸成熟，可以優(yōu)先考慮。
(2) 價(jià)格。由于高壓變頻器目前還處于技術(shù)發(fā)展時(shí)期，還沒有達(dá)到如低壓變頻器那樣的技術(shù)成熟度，沒有統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所以價(jià)格方面相差很大，應(yīng)考慮到系統(tǒng)的投資情況。
(3) 主要技術(shù)指標(biāo)。包括下襖率，功率因數(shù)，速度控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪聲，對(duì)電網(wǎng)的影響(諧波含量)，掉電再上電的能力，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)性，外型尺寸等主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真的綜合比較。
供貨期和廠家的信譽(yù)，也是選擇時(shí)考慮。

5 結(jié)束語
針對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)分析了調(diào)速運(yùn)行時(shí)的工況，表明應(yīng)用了變頻器以后能達(dá)到最大節(jié)能效果，系統(tǒng)投運(yùn)后，運(yùn)行穩(wěn)定。應(yīng)用變頻器的“軟啟動(dòng)”可減少啟動(dòng)的峰值功率損耗并減少啟停過程對(duì)機(jī)構(gòu)的沖擊，延長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)減少中間環(huán)節(jié)的費(fèi)用，完美的監(jiān)控和可靠性措施提高了系統(tǒng)的工作效率。該系統(tǒng)有廣闊的推廣前景。