摘 要：隨著市場競爭的不斷加劇，節(jié)能增效已經(jīng)成為提高產(chǎn)品競爭力的重要手段之一。而在軋鋼加熱爐的生產(chǎn)中，風(fēng)機電能消耗是一筆不小的生產(chǎn)費用開支。本文分析了變頻調(diào)速技術(shù)在三鋼棒材廠加熱爐風(fēng)機中的應(yīng)用，并通過運行實驗得出變頻改造的經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 風(fēng)機 節(jié)能

中圖分類號：TK223.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0091-02

福建三鋼棒材廠采用兩座蓄熱式加熱爐加熱，設(shè)計加熱能力100 t（冷坯）和60 t（冷坯），采用空氣、煤氣雙預(yù)熱的蓄熱式燒嘴技術(shù)，燃料為轉(zhuǎn)爐煤氣，煤氣熱值5860 kJ/m3。兩座加熱爐一共有6臺風(fēng)機，其中鼓風(fēng)機2臺，引風(fēng)機4臺。操作工在操作臺通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板來實現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對風(fēng)壓、排煙溫度、爐膛壓力的控制。鼓風(fēng)機擋板開度的控制主要參考操作臺顯示的空氣壓力，而引風(fēng)機主要靠操作人員的經(jīng)驗。因此控制不夠精確，且通過多次煉鋼綜合改造后，棒材線熱裝率達到了80%以上，加熱爐風(fēng)機長期在低負荷運行，導(dǎo)致了大量的電能損耗。因此決定對加熱爐風(fēng)機控制系統(tǒng)進行變頻節(jié)能改造。

1 風(fēng)機電機定速拖動的運行分析

1.1 加熱爐風(fēng)機運行情況

電機在熱生產(chǎn)時會有很大的余量，擋板通常會檔板調(diào)到20%左右運行，在高速轉(zhuǎn)動的風(fēng)機和低負荷的運行情況下，分機會產(chǎn)生較大的震動，電機溫度高，現(xiàn)場噪聲大且操作環(huán)境惡劣。停爐保溫期間，由于加熱爐熱負荷很低。通常將擋板調(diào)到10%以下時，由于負壓過大，對機械沖擊大，甚至可能會引起管道的喘振，危及設(shè)備運行安全。

1.2 風(fēng)機定速拖動時的缺陷

（1）風(fēng)機電能損耗嚴重。風(fēng)機在低負荷運行時，在擋板兩側(cè)風(fēng)壓較大，出現(xiàn)極大的風(fēng)壓損耗和節(jié)流損耗，風(fēng)機的能效轉(zhuǎn)換效率低。（2）工作環(huán)境惡劣。風(fēng)機運行的負荷較低的時候，會造成管道震動而產(chǎn)生較大的噪音，旁邊操作臺會因此震動并且造成噪音超標，會危害到操作工人的身體健康。（3）危害設(shè)備。電流會在啟動時較大，音響廠內(nèi)的電源波動，耗電量大。也會因想到電機的壽命。電機和風(fēng)機的軸承在運行產(chǎn)生的過大震動會造成較大磨損。且造成風(fēng)道、風(fēng)機軟連接壽命降低。僅2012年一年，兩臺鼓風(fēng)機風(fēng)機軟連接更換次數(shù)達到了3次。燒電機的現(xiàn)象也時常出現(xiàn)。

2 風(fēng)機調(diào)速運行時的節(jié)能原理分析

2.1 風(fēng)機運行特性曲線

用以表示通風(fēng)機的主要性能參數(shù)（如風(fēng)壓H、風(fēng)量Q、功率N及效率η）之間關(guān)系的曲線稱為風(fēng)機特性曲線或風(fēng)機性能曲線。為了使用方便，通常將H—Q曲線、N—Q曲線、η—Q曲線畫在同一圖上。離心式風(fēng)機，其屬于平方轉(zhuǎn)矩類型的負載，在額定轉(zhuǎn)速運行的特性曲線如（圖1）。

從（圖1）可以看出，在一定轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機的效率隨著風(fēng)量的改變而變化，但其中有一個效率最高點ηmax。相應(yīng)于最高效率下的風(fēng)量、風(fēng)壓和軸功率稱為風(fēng)機的最佳工況，在選擇風(fēng)機時，應(yīng)使其實際運轉(zhuǎn)效率不低于0.9ηmax。此范圍稱為風(fēng)機的經(jīng)濟使用范圍。

2.2 風(fēng)機流量的確定

風(fēng)機在單位時間內(nèi)所輸送的氣體體積稱為風(fēng)量。風(fēng)機在運行時，通過風(fēng)機所產(chǎn)生的風(fēng)壓H（即全壓）與管網(wǎng)阻力R的共同作用，出現(xiàn)一個穩(wěn)定的風(fēng)量輸出點，我們稱之為工況點（圖2中的點M），M點對應(yīng)的效率曲線上的ηm的值為該工況下的風(fēng)機運行效率，Qm為工況M風(fēng)機的風(fēng)量，其曲線如（圖2）。

2.3 風(fēng)機流量的調(diào)節(jié)方法

（1）將管網(wǎng)的阻力進行改變來調(diào)節(jié)風(fēng)機輸出。當風(fēng)機轉(zhuǎn)速保持不變，管網(wǎng)阻力發(fā)生變化時，風(fēng)壓隨之改變，風(fēng)機運行的工況點將改變，風(fēng)量將隨之發(fā)生變化，其特性曲線如（圖3）。

在實際運行中，操作工通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開度來實現(xiàn)風(fēng)量Q的改變，隨著擋板開度的不斷減小，管網(wǎng)阻力隨之不斷加大。如圖3中擋板的三種開度對應(yīng)R1、R2、R3三種不同的管網(wǎng)阻力工況，由于實際運行中風(fēng)機轉(zhuǎn)速不變，其三種管網(wǎng)阻力工況與風(fēng)機壓力特性曲線分別出現(xiàn)了M1、M2、M3三種工況點。三種工況點對應(yīng)的三個風(fēng)量Q1、Q2、Q3就是在轉(zhuǎn)速不變時，三種擋板開度所對應(yīng)的三個風(fēng)量。從中可以看出，調(diào)節(jié)擋板的開度，即可以調(diào)整風(fēng)機輸出流量的多少。且隨著擋板開度的不斷減小，其風(fēng)機的運行效率也將不斷降低，甚至偏離風(fēng)機的經(jīng)濟適用范圍，造成能耗的浪費。

（2）通過改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對風(fēng)機的風(fēng)量調(diào)節(jié)。當管網(wǎng)阻力不變，改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速時，風(fēng)機的壓力特性曲線隨之改變，其特性曲線如（圖4）。

當風(fēng)機的轉(zhuǎn)速定為n1、n2、n3時，每個轉(zhuǎn)速都對應(yīng)其相應(yīng)的壓力特性曲線，在管網(wǎng)阻力R不變的情況下，工況點隨之改變?yōu)镸1、M2，其對應(yīng)的流量變?yōu)镼1、Q2。由于風(fēng)機轉(zhuǎn)速改變時，風(fēng)機效率曲線也將隨之改變，因此通過改變轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)風(fēng)機流量，通過計算，可以使風(fēng)機的效率始終在經(jīng)濟適用范圍內(nèi)，達到節(jié)能降耗的目的。在實際生產(chǎn)中，通常采用內(nèi)反饋串級調(diào)速電機，高壓變頻器，液力耦合器等方法達到對風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而在管網(wǎng)阻力不變的情況下調(diào)節(jié)流量。

2.4 風(fēng)機定速運行與風(fēng)機調(diào)速運行在輸出同等風(fēng)量時的比較

當風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速為n1，擋板全開管網(wǎng)阻力為R1，額定風(fēng)量為Q1時，通過調(diào)節(jié)擋板（即調(diào)整管網(wǎng)阻力）和風(fēng)機轉(zhuǎn)速的兩種方法，將風(fēng)量改變?yōu)镼2，其運行工況的差異如（圖5）所示。

從圖中可以看出，在同等風(fēng)量的情況下，用速度調(diào)節(jié)的工況點是M2，運行時壓為H2。用擋板調(diào)節(jié)的工況點是M3，運行時壓力為Hf。

2.5 兩種風(fēng)量調(diào)節(jié)方法消耗能量的差異

通過流體力學(xué)的基本定律可知，風(fēng)機設(shè)備屬于平方轉(zhuǎn)矩負載。其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此定速調(diào)節(jié)風(fēng)量與用調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量對比，隨著實際輸出流量與風(fēng)機額定流量差值的加大，其能量的消耗差異也呈平方比例系數(shù)加大。

3 風(fēng)機高壓變頻器調(diào)速的實測數(shù)據(jù)

下表為我廠1#加熱爐空煙引風(fēng)機調(diào)速改造后的實際測量數(shù)據(jù)。從（表1）中看出，實際運行中，當風(fēng)機輸出流量較低時，調(diào)速運行節(jié)能效果明顯。我廠加熱爐生產(chǎn)中，鋼坯熱裝率較高，因此加熱爐通常在低負荷狀態(tài)下運行，風(fēng)機輸出流量較低，節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)語

根據(jù)以上計算出的調(diào)速運行狀態(tài)，全熱裝時，風(fēng)門開度約20%，定速運行單位電耗22.8 kW·h，調(diào)速運行后風(fēng)機頻率為35Hz單位電耗7.6 kW·h，每小時節(jié)電達15.2 kW·h。以上為在理想狀況下的單位節(jié)能，在實際運用中，考慮到設(shè)備的效率轉(zhuǎn)換，調(diào)速裝置的損耗，還應(yīng)乘以0.85的額外消耗系數(shù)，實際單位節(jié)電按12.92 kW·h進行計算。以正常年工作300天計算，熱裝率80%，共計兩臺引風(fēng)機其節(jié)電總量為：148838 kW·h。以電價每kW·h費用0.57元計算，年節(jié)約電量應(yīng)達84838元。若其余四臺風(fēng)機都采用變頻調(diào)速，年節(jié)約電耗可達50萬元以上。

參考文獻

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