风机变频改造节能分析

摘 要： 两台130T/H循环流化床锅炉有四台高压风机，由于当初设计时选用风门、挡板调整负荷，设备经济性很差，通过高压变频技术改造，既实现了节能降耗效果，又有利于稳定调节负荷。

关键词： 高压； 变频器； 风机； 节能

中图分类号： TU263 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2010）09-0101-02

一、概述

化工园区供热站已建成规模为2×130t/h循环流化床锅炉+1×25MW抽凝式发电机组，供汽能力130t/h。配置的引风机（710KW）、一次送风机(1120KW)等都属于高能耗用电设备(且原来设计选型偏大)，通过风门、挡板的开度来调整流量和风压，风机系统的输出功率不能随生产负荷变化而变化，且风机挡板开度引风机长期在25%左右，一次风机长期在50%左右，实际电机运行电流占额定电流50%左右。导致设备负载运行效率较低，并且有大量能量浪费在节流损失中。如利用高压变频调速技术改变设备的运行速度，以实现调节现场工况所需风压、风量的大小，大大提高了系统的自动化程度，既满足了生产要求，又达到了节约电能，并且减少了电机损耗和因调节挡板而造成挡板和管道的磨损以及因经常停机检修所造成的经济损失，同时使检修维护量大大降低，为火力发电生产企业可带来了可观的效益。通过项目的实施，达到降低能耗，降低成本，改善运行环境的目的。

二、高压变频器控制将有以下诸多优点

1.变频节能

为了保证生产的可靠性，风机设备在动力驱动时，都留有一定的富余量，电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。

2.动态调整节能

迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。

3.通过变频自身的V/F（电压/频率）功能节电

在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F（电压/频率）曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。

4.变频自带软启动节能

在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收7倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变压器损失。采用软启动后，启动电流可从0――电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

5.提高功率因数节能

电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。

采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：

AC(交流)――DC（直流）――AC(交流)，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗

三、技术方案选择

将锅炉的一次送风机、引风机改为正常情况下变频运行。一次送风机、引风机变频器故障或检修，手动切至工频运行(旁路运行)。

高压变频器改造原理图：

四、风机高压变频节能分析

1.节能原理分析

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=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。通过流体力学的基本定律可知：风机设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，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。如下图示为压力H-流量Q曲线特性图：风机在管路特性曲线R1工作时，工况点为A，其流量压力分别为Q1、H1，此时风机所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小流量到Q2，实际上通过增加管网管阻，使风机工作点移到R2上的B点，压力增大到H2，这时风机所需的功率正比于H2与Q2的乘积，即正比于BH2OQ2的面积。显然风机所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。

n1-代表电机的额定转速运行时的特性；

n2-代表电机降速运行在n2转速时的特性；

R1-代表风机管路阻力最小时的阻力特性；

R2-代表风机管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。

若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图可见功率的减少是明显的。对于风机设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图可见功率的减少是明显的。

下表为锅炉风机具体运行参数情况：

节能效果计算

对于风机设备采用变频调速后的节能效果，根据风机平方转矩负载关系式：P/P0=（n/n0）3计算（P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率）。

引风机710KW，风门开度25%，运行电流50A，则节电率为1-（0.25）3-(88-50）/88=55%，则年节约电引风机可节电95.6万kWh。

一次送风机1120KW，风门开度50%，运行电流80A，则节电率为1-（0.50）3-(133.6-80）/133.5=46%，一次风机可节电44.6万kWh。

2.投资情况

风机变频改造项目固定资产静态投资140万元，其中设备购置费120万元，安装及其他费用15万元，基本预备费用5万元。

3.风机变频改造后产生的经济效益估算

①年节电量：一次风机可节电44.6万kWh，引风机可节电95.6万kWh，电费按0.3242元/kWh，计45.45万元/年

②固定产生残值：取原值的5%，计7万元

③年平均税金及附加为3万元

4.基本假设

总投资（I）=140万元

年运行费用总节省金额（P）=45.45万元

折旧费（D）：设备服务年限为15年计，（140-7）/15=8.87万元

应税利润（T）=45.45-8.87=36.58万元

年净利润=36.58-3=33.58万元

年增加现金流量（F）=33.58+8.87=42.45万元

投资偿还期（N）= I/ F=3.3年

净现值（NPV）=F×（P/A，6%，15）- I=489.5万元

净现值率（NPVR）=489.5/140×100%=350%

内部收益率（IRR）=11.16%

通过设备变频改造，一次风机可节电44.6万kWh/年，引风机可节电95.6万kWh/年，相当于年节约原煤616吨，煤的含硫量按0.82%计，锅炉脱硫效率80.6%，则年减排SO2约0.93吨。

变频改造还将大大提高设备的安全运行水平，减少轴承磨损，延长电机等电器设备使用寿命；避免意外停机带来的损失，降低了运营成本；进一步提高了设备自动化水平，减轻了员工的劳动强度；降低环境噪音，改善现场工作环境，为企业清洁生产打下了良好的基础。

参考文献：

[1] 徐甫荣《高压变频调速技术应用实践》

[2] 《Powersmart系列高压变频器》资料

[3] 《中华人民共和国节约能源法》1997

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”