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變頻調速裝置在煤氣鼓風機系統中的應用
煙臺市管道煤氣公司 劉岳成摘要：通過對煤氣鼓風運行工況的分析，為解決“大馬拉小車” 的問題，應用變頻調速裝置和PLC構成風壓閉環控制系統，實現對煤氣鼓風機風量的自動控制，解決了“大馬拉小車” 的問題，達到了節能降耗的目的。
敘詞：可遍程序控制器 變頻調速 節能 鼓風系統
1 引言
在電氣拖動設備的運行過程中，經常遇到這樣的問題，即拖動設備的負荷變化較大，而動力源電機的轉速卻不變，也就是說輸出功率的變化不能隨負荷的變化而變化。在實際中這種“大馬拉小車”的現象較為普遍，浪費能源。在許多生產過程中采用變頻調速實現電動機的變速運行，不僅可以滿足生產的需要，而且還能降低電能消耗，延長設備的使用壽命。這里介紹的煤氣鼓風機系統采用變頻調，并應用PLC構成風壓閉環自動控系統，實現了電機負荷的變化變速運行自動調節風量，即滿足了生產需要，又達到了節能降耗的目的。
2 工況分析
鼓風機系統構成如下。
（1）風機型號：9-26，風量：8588 ~ 10735m3/h，風壓：10020~9630Pa。
（2）電機型號：Y225M-2，功率：45kW，電壓：380V，電流：83.9A，頻率：50Hz，功率因數：0.89，效率：2970 r/min。
鼓風機的特性曲線如圖1所示。
@gas_1.jpg
通過對鼓風機幾年來的恒速運動實際情況的記錄分析，鼓風機系統運行規律如下：最大負荷時的風量為1600 m3/h，電機的電流為38A，運行時間1個月；一般負荷的風量為950 m3/h，電機的電流為36A，運行時間9個月；最低負荷時的風量為500 m3/h，電機的電流為18A，運行時間2個月。由此可以看出，對于該鼓風機來說，最大負荷也不到額定負荷的一半，當風量下降時，用調節管道風門的方法來改變風道阻力，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為風機在恒速下調節風門時的風壓-風量（H-Q）特性，曲線2為恒速下調節風門時的功率-風量（P-Q）特性，曲線3為管網風阻（R-Q）特性。假設風機在設計時工作在A點效率最高，輸出風量Q1100%。此時，軸功率P1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比（AH1OQ1為耗能），根據生產工藝要求，當風量需從Q1減少到Q2（例如50%風量）時，如采用調節風門的方法調整風量，相當于增加了管網阻力，使管網阻力特性由曲線3變到曲線4，系統由原來的工況點A變到新的工況點B運行，盡管此時風量由Q1減小到Q2，但風壓反而由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。
采用電氣傳動調速裝置來調節風機電動機的轉速是實現經濟地調節風量、有效節能的最佳方法。我們選用變頻調速裝置對原煤氣鼓風機系統進行了改造，將電機恒速運行改為按負荷變化的變速運行，得到風機合適的功率輸出，達到了節能降耗的目的。
3 風機變頻調速節能原理
交流異步電動機的轉速公式為
n = 60f / p (1- s ) （1）
由式（1）可以看出，電源頻率f與轉速n成正比。即改變頻率可改變電機的轉速。當改變風機的轉速，由額定轉速n1調整到某一轉速n2時，理論上風量、風壓及軸功率變化的關系如下：Q2 = Q1 (n2 / n1)，H2 = H1 (n2 / n1)2，P2 = P1 (n2 / n1)3。可見，風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比。由圖1可以看出當風機轉速由n1降到n2，根據風機參數的比例定律，在轉速n2下的風壓-風量特性如曲線5所示。 可見，在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率P3（相當于面積CH3OQ2）明顯減小，節省的功率損耗 DP = P1-P2與面積BH2H3C成正比，節能效果十分明顯。所以，采用改變風機轉速的方法對風量和風壓進行控制是最合理和經濟的。
4 系統構成
對原有煤氣鼓風機加裝變頻調速裝置，并且在鼓風機系統出口的管道上安裝壓力變送器，測定管道的風量變化，通過PLC對管道壓力信號的變換和處理，為變頻調速裝置提供參變量，實現對頻率的自動調整，也就是說對電機的轉速進行調整，以達到根據負荷變化調整輸出功率，節能降耗的目的。
經過比較，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，組成風壓變頻調速自動控制裝置，對原鼓風機系統進行改造。
4.1 硬件組成
系統構成框圖如圖2 所示。
@gas_2.jpg
各部分主要功能分述如下
（1）操作臺。實現系統操作控制及參數的設定與顯示。
（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，完成風壓信號和操作信號可輸入以及PLC的控制輸出。
（3）變頻器。選用FRN45P9S-4變頻器，具有手動和自動調速功能。
（4）切換裝置。由繼電器、接觸器，開關等組成，實現1臺變頻器控制3臺鼓風機的切換，以及在變頻器故障時鼓風機的旁路工頻運行。
（5）壓力變送器。選用CECY型電容器式變送器，測定管道的風量變化。
4.2 軟件框圖
PLC軟件采用梯形圖語言，實現各種邏輯順序控制，風壓閉環控制等，程序框圖如圖3所示。
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as_3.jpg
在軟件設計中利用PLC定時中斷功能完成數據采樣，數字濾波，PID運算及控制輸出。
5 運行結果
變頻調速裝置安裝投入運行后，風門全部打開，在壓力為2200 Pa，風量為600 m3/h，即可滿足生產要求。此時測得的系統參數如下：變頻器輸出頻率為25 Hz，電壓為189 V，電流為20 V；電機轉速為1485 r/min。實際運行工況在以下幾個方面有了明顯改善：?噪聲由80 dB降為40 dB左右；?風量（壓力）控制自動化，降低勞動強度，故障率降低；?運行參數觀測直觀，可同時顯示壓力、頻率、轉速、電壓、電流、轉矩等運行參數；?管道閥門全部打開，節門損失大大降低。
6 節約電能計算
采用變頻調速前全年總耗能為1.511×105kW·h，變頻調速后全年總耗能為4.53×104kW·h。采用變頻調速后全年節約電能為10.58×104kW·h。
另外在投運變頻調速裝置后，根據運行工況測算，可延長修周期1～2年，每年可節約大修費用約2萬元。
7 結論
實踐證明，在煤氣鼓風機系統中采用變頻調速運行方式，可以根據負荷的變化自動調節風機的轉速，解決了“大馬拉小車”的問題，為降低生產成本，延長設備使用壽命，節能降耗，減輕勞動強度，改善工作環境開創了新的途徑。
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