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變頻調(diào)速裝置在煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用
煙臺(tái)市管道煤氣公司 劉岳成摘要：通過對(duì)煤氣鼓風(fēng)運(yùn)行工況的分析，為解決“大馬拉小車” 的問題，應(yīng)用變頻調(diào)速裝置和PLC構(gòu)成風(fēng)壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的自動(dòng)控制，解決了“大馬拉小車” 的問題，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
敘詞：可遍程序控制器 變頻調(diào)速 節(jié)能 鼓風(fēng)系統(tǒng)
1 引言
在電氣拖動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行過程中，經(jīng)常遇到這樣的問題，即拖動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷變化較大，而動(dòng)力源電機(jī)的轉(zhuǎn)速卻不變，也就是說輸出功率的變化不能隨負(fù)荷的變化而變化。在實(shí)際中這種“大馬拉小車”的現(xiàn)象較為普遍，浪費(fèi)能源。在許多生產(chǎn)過程中采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行，不僅可以滿足生產(chǎn)的需要，而且還能降低電能消耗，延長設(shè)備的使用壽命。這里介紹的煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用變頻調(diào)，并應(yīng)用PLC構(gòu)成風(fēng)壓閉環(huán)自動(dòng)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)負(fù)荷的變化變速運(yùn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，即滿足了生產(chǎn)需要，又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
2 工況分析
鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成如下。
（1）風(fēng)機(jī)型號(hào)：9-26，風(fēng)量：8588 ~ 10735m3/h，風(fēng)壓：10020~9630Pa。
（2）電機(jī)型號(hào)：Y225M-2，功率：45kW，電壓：380V，電流：83.9A，頻率：50Hz，功率因數(shù)：0.89，效率：2970 r/min。
鼓風(fēng)機(jī)的特性曲線如圖1所示。
@gas_1.jpg
通過對(duì)鼓風(fēng)機(jī)幾年來的恒速運(yùn)動(dòng)實(shí)際情況的記錄分析，鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律如下：最大負(fù)荷時(shí)的風(fēng)量為1600 m3/h，電機(jī)的電流為38A，運(yùn)行時(shí)間1個(gè)月；一般負(fù)荷的風(fēng)量為950 m3/h，電機(jī)的電流為36A，運(yùn)行時(shí)間9個(gè)月；最低負(fù)荷時(shí)的風(fēng)量為500 m3/h，電機(jī)的電流為18A，運(yùn)行時(shí)間2個(gè)月。由此可以看出，對(duì)于該鼓風(fēng)機(jī)來說，最大負(fù)荷也不到額定負(fù)荷的一半，當(dāng)風(fēng)量下降時(shí)，用調(diào)節(jié)管道風(fēng)門的方法來改變風(fēng)道阻力，使功率下降不多，耗能仍很大，這由圖1可以看出。
圖1中曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速下調(diào)節(jié)風(fēng)門時(shí)的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性，曲線2為恒速下調(diào)節(jié)風(fēng)門時(shí)的功率-風(fēng)量（P-Q）特性，曲線3為管網(wǎng)風(fēng)阻（R-Q）特性。假設(shè)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)工作在A點(diǎn)效率最高，輸出風(fēng)量Q1100%。此時(shí)，軸功率P1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比（AH1OQ1為耗能），根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，當(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2（例如50%風(fēng)量）時(shí)，如采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法調(diào)整風(fēng)量，相當(dāng)于增加了管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性由曲線3變到曲線4，系統(tǒng)由原來的工況點(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運(yùn)行，盡管此時(shí)風(fēng)量由Q1減小到Q2，但風(fēng)壓反而由H1增加到H2，軸功率P2與Q2、H2的乘積面積BH2OQ2成正比，功率的減少并不多，可見耗能仍然很大。
采用電氣傳動(dòng)調(diào)速裝置來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)風(fēng)量、有效節(jié)能的最佳方法。我們選用變頻調(diào)速裝置對(duì)原煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將電機(jī)恒速運(yùn)行改為按負(fù)荷變化的變速運(yùn)行，得到風(fēng)機(jī)合適的功率輸出，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
3 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理
交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為
n = 60f / p (1- s ) （1）
由式（1）可以看出，電源頻率f與轉(zhuǎn)速n成正比。即改變頻率可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，由額定轉(zhuǎn)速n1調(diào)整到某一轉(zhuǎn)速n2時(shí)，理論上風(fēng)量、風(fēng)壓及軸功率變化的關(guān)系如下：Q2 = Q1 (n2 / n1)，H2 = H1 (n2 / n1)2，P2 = P1 (n2 / n1)3。可見，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。由圖1可以看出當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，在轉(zhuǎn)速n2下的風(fēng)壓-風(fēng)量特性如曲線5所示。 可見，在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率P3（相當(dāng)于面積CH3OQ2）明顯減小，節(jié)省的功率損耗 DP = P1-P2與面積BH2H3C成正比，節(jié)能效果十分明顯。所以，采用改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓進(jìn)行控制是最合理和經(jīng)濟(jì)的。
4 系統(tǒng)構(gòu)成
對(duì)原有煤氣鼓風(fēng)機(jī)加裝變頻調(diào)速裝置，并且在鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出口的管道上安裝壓力變送器，測定管道的風(fēng)量變化，通過PLC對(duì)管道壓力信號(hào)的變換和處理，為變頻調(diào)速裝置提供參變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的自動(dòng)調(diào)整，也就是說對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)整輸出功率，節(jié)能降耗的目的。
經(jīng)過比較，我們選用日本富士變頻器FRN45P9S-4，德國西門子公司可編程序控制器S7-200，組成風(fēng)壓變頻調(diào)速自動(dòng)控制裝置，對(duì)原鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造。
4.1 硬件組成
系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2 所示。
@gas_2.jpg
各部分主要功能分述如下
（1）操作臺(tái)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作控制及參數(shù)的設(shè)定與顯示。
（2）可編程序控制器。選用S7-200可編程序控制器及EM235模擬量I/O模塊，完成風(fēng)壓信號(hào)和操作信號(hào)可輸入以及PLC的控制輸出。
（3）變頻器。選用FRN45P9S-4變頻器，具有手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)速功能。
（4）切換裝置。由繼電器、接觸器，開關(guān)等組成，實(shí)現(xiàn)1臺(tái)變頻器控制3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的切換，以及在變頻器故障時(shí)鼓風(fēng)機(jī)的旁路工頻運(yùn)行。
（5）壓力變送器。選用CECY型電容器式變送器，測定管道的風(fēng)量變化。
4.2 軟件框圖
PLC軟件采用梯形圖語言，實(shí)現(xiàn)各種邏輯順序控制，風(fēng)壓閉環(huán)控制等，程序框圖如圖3所示。
@g
as_3.jpg
在軟件設(shè)計(jì)中利用PLC定時(shí)中斷功能完成數(shù)據(jù)采樣，數(shù)字濾波，PID運(yùn)算及控制輸出。
5 運(yùn)行結(jié)果
變頻調(diào)速裝置安裝投入運(yùn)行后，風(fēng)門全部打開，在壓力為2200 Pa，風(fēng)量為600 m3/h，即可滿足生產(chǎn)要求。此時(shí)測得的系統(tǒng)參數(shù)如下：變頻器輸出頻率為25 Hz，電壓為189 V，電流為20 V；電機(jī)轉(zhuǎn)速為1485 r/min。實(shí)際運(yùn)行工況在以下幾個(gè)方面有了明顯改善：?噪聲由80 dB降為40 dB左右；?風(fēng)量（壓力）控制自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，故障率降低；?運(yùn)行參數(shù)觀測直觀，可同時(shí)顯示壓力、頻率、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行參數(shù)；?管道閥門全部打開，節(jié)門損失大大降低。
6 節(jié)約電能計(jì)算
采用變頻調(diào)速前全年總耗能為1.511×105kW·h，變頻調(diào)速后全年總耗能為4.53×104kW·h。采用變頻調(diào)速后全年節(jié)約電能為10.58×104kW·h。
另外在投運(yùn)變頻調(diào)速裝置后，根據(jù)運(yùn)行工況測算，可延長修周期1～2年，每年可節(jié)約大修費(fèi)用約2萬元。
7 結(jié)論
實(shí)踐證明，在煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，可以根據(jù)負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，解決了“大馬拉小車”的問題，為降低生產(chǎn)成本，延長設(shè)備使用壽命，節(jié)能降耗，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境開創(chuàng)了新的途徑。
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