變頻調(diào)速技術(shù)在電廠風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張德梅 索濤

摘要：針對(duì)目前電廠風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低和系統(tǒng)耗能大的問(wèn)題，本文分析了變頻調(diào)速用于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能原理。提出了一套風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)方案，采用性能可靠的PLC、變頻器、壓力流量傳感器構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)電廠風(fēng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)軟件。結(jié)合實(shí)例，對(duì)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的效益進(jìn)行分析，結(jié)果表明，采用變頻調(diào)速技術(shù)控制風(fēng)機(jī)，節(jié)能效果明顯，能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；PLC；變頻器；變頻調(diào)速；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

火力發(fā)電廠中運(yùn)行的風(fēng)機(jī)種類和數(shù)量多，總裝機(jī)容量大，耗電量大。約占全國(guó)火電發(fā)電量的6％左右[1]。許多電廠的風(fēng)機(jī)處于開環(huán)、恒速、24 h 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。 由于這些設(shè)備一般都是根據(jù)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷條件來(lái)選擇的，而實(shí)際運(yùn)行往比設(shè)計(jì)值要小得多。目前我國(guó)火電廠風(fēng)機(jī)少量采用液力耦合器調(diào)速外，其它基本上采用定速驅(qū)動(dòng)，其流量通常只能通過(guò)調(diào)節(jié)擋板來(lái)控制， 存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。 尤其在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行偏離高效點(diǎn)，使運(yùn)行效率降低。

變頻調(diào)速是電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式中最理想的方案。 以前受價(jià)格、可靠性及容量等因素的影響，在我國(guó)一直未得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著電力、電子器件和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器價(jià)格不斷下降，可靠性不斷增加，采用頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，耗能量將會(huì)顯著減少[2-3]，可產(chǎn)生巨大的節(jié)能效益。若電廠的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用變頻技術(shù)，使風(fēng)機(jī)能根據(jù)系統(tǒng)需要的風(fēng)量運(yùn)行，就能提高效率、減少能耗。因此研究變頻調(diào)速技術(shù)在電廠風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

1變頻調(diào)速原理及風(fēng)機(jī)節(jié)能分析

1.1 變頻調(diào)速的基本原理

目前電廠所用的風(fēng)機(jī)大都是由交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，由電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)原理，可知交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為:

(1)

式中: f1 為定子電源頻率；p為異步電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；s為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

由式(1)可知，對(duì)l臺(tái)特定的電機(jī)，其磁極對(duì)數(shù)P是一定的，因此，改變電源頻率，即可改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)在帶負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中隨著負(fù)載的變化，滑差s變化不大，可以近似地認(rèn)為轉(zhuǎn)速與定子供電頻率成線性關(guān)系[4]。若均勻地改變定子供電頻率，則可以平滑地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量。

1.2 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能分析

由流體機(jī)械相關(guān)理論可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率與轉(zhuǎn)速有以下比例關(guān)系[5]：

，，(2)

式中： 、 通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速，r/min；

P1、P 2—通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓，Pa ；

N1、N 2—通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率，W。

由式(1)可知，可以看出風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。如果通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低為原來(lái)的50%，則風(fēng)量也變?yōu)樵瓉?lái)的50%，功率降低為原來(lái)的12.5%，這說(shuō)明通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方式，可以改變通風(fēng)機(jī)的功率輸入，可以節(jié)省大量的電能。

2變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)控制上的應(yīng)用

以神火集團(tuán)電力公司發(fā)電二廠的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)為例，介紹變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)控制上的應(yīng)用。目前該電廠的風(fēng)機(jī)多為定流量系統(tǒng)， 僅采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)，存在耗電能多、噪音大，且供風(fēng)調(diào)節(jié)性能不良等問(wèn)題，因此電廠決定對(duì)此風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造。由原來(lái)的節(jié)流調(diào)節(jié)改造為基于PLC控制的變頻恒壓運(yùn)行調(diào)節(jié)方式。風(fēng)機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

參數(shù)

名稱 容量

（kw） 電壓

（V） 額定電流（A）

1號(hào)風(fēng)機(jī) 160 380 285

2號(hào)風(fēng)機(jī) 90 380 166

2.1 控制系統(tǒng)總體方案

風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)方案如圖1所示。控制系統(tǒng)有PLC、變頻器、觸摸屏、和流量、壓力傳感器、報(bào)警裝置組成。控制器采用歐姆龍公司的CP1H系列PLC。根據(jù)風(fēng)機(jī)的功率選用歐姆龍3G3RV系列變頻器，型號(hào)為：3G3RV-B416K和3G3RV- B4900。3G3RV系列變頻器是歐姆龍公司生產(chǎn)的高功能型通用變頻器，涵蓋了風(fēng)機(jī)泵類專用功能、閉環(huán)矢量控制功能。控制精度高，功率范圍廣、內(nèi)置PID控制器和RS485通信接口，廣泛應(yīng)用于恒壓供水、空調(diào)、風(fēng)機(jī)等自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

圖1 PLC變頻控制方案

控制系統(tǒng)的調(diào)速過(guò)程如下：風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，利用PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過(guò)程控制和變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)壓力流量等過(guò)程參數(shù)送至PLC內(nèi)進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，根據(jù)偏差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)出指令，使變頻器輸出頻率升高，增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；反之則逆運(yùn)行，使壓力在設(shè)定范圍時(shí)保持穩(wěn)定。

通過(guò)觸摸屏可以設(shè)置系統(tǒng)工作壓力、流量等參數(shù)。報(bào)警裝置采用聲光報(bào)警方式，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定的最低極限值時(shí)（系統(tǒng)某處發(fā)生故障），發(fā)出聲光報(bào)警，以便讓工作人員采取措施。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的欠壓、過(guò)流、缺相、過(guò)載、短路、失速等保護(hù)功能。

2.2 控制方案實(shí)施

設(shè)計(jì)一個(gè)控制柜，控制柜里安裝PLC、變頻器等控制設(shè)備。PLC模擬量輸出端子接變頻器輸入端子。在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)里安裝壓力、流量傳感器，并將信號(hào)線連接PLC模擬量輸入端子。將380V電力電纜先接至變頻器，然后通過(guò)變頻器接至風(fēng)機(jī)。

為充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時(shí)加裝了工頻旁路裝置，變頻器異常時(shí)退出運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)可以直接手動(dòng)切換到工頻運(yùn)行。檢測(cè)到系統(tǒng)故障時(shí)，變頻控制柜的控制回路可以實(shí)現(xiàn)40s內(nèi)從變頻控制方式自動(dòng)切換到工頻控制方式。變頻器故障信號(hào)發(fā)送給操作臺(tái)。同時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

可編程控制器（PLC）程序設(shè)計(jì)包括程序流程設(shè)計(jì)和用戶程序編寫兩大部分。由于可編程控制器采用循環(huán)掃描的工作方式運(yùn)行程序，本文采用了順序結(jié)構(gòu)的逐步控制方式設(shè)計(jì)程序流程，程序流程圖如圖2所示。

程序首先進(jìn)行初始化，接受輸入設(shè)定值，接著進(jìn)行故障檢測(cè)，綜合來(lái)自控制系統(tǒng)外圍的故障信息和內(nèi)部系統(tǒng)程序故障信息。若有故障，系統(tǒng)根據(jù)故障類型報(bào)警。若系統(tǒng)正常，則等待啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)有啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，PLC通過(guò)參數(shù)設(shè)置將變頻器驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)置為外部驅(qū)動(dòng)，使風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。PLC同時(shí)讀取系統(tǒng)的壓力信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示，并與設(shè)定的壓力值比較，確定是風(fēng)機(jī)加速運(yùn)行還是減速運(yùn)行。

結(jié)合程序流程圖，采用歐姆龍公司開發(fā)的梯形圖編程支持軟件CX-Programmer進(jìn)行程序的編制。程序在PC上調(diào)試成功后，通過(guò)通訊數(shù)據(jù)線下載到PLC里，控制系統(tǒng)便可以運(yùn)行。

圖2 程序流程圖

4 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的效益分析

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用PLC與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速技術(shù)，由變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，其風(fēng)量調(diào)節(jié)性能也得到很大提高。

實(shí)行變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)的輸出功率自動(dòng)跟隨負(fù)載的變化而變化，大大降低電能的浪費(fèi)。通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，2號(hào)風(fēng)機(jī)的工頻電流由原來(lái)的平均125 A 下降到現(xiàn)在的平均80A，節(jié)能效果相當(dāng)顯著，根據(jù)電度表測(cè)定，節(jié)能效率在30%左右。

在變頻改造以前，根據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，鍋爐1號(hào)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工頻電流在220-260 A，目前在鍋爐相同運(yùn)行情況下，1號(hào)風(fēng)機(jī)的工頻電流在90～170 A，平均降低電流達(dá)到115 A 左右，根據(jù)計(jì)算，平均每天節(jié)電85 kW?h，工業(yè)用電按0.7元/ kW?h計(jì)算，每年按360天計(jì)算，則每年可節(jié)約電費(fèi)為： 元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)顯著。變頻調(diào)速設(shè)備改造費(fèi)用5.5萬(wàn)元，2.5年就可收回成本。

變頻改造前，風(fēng)機(jī)每次啟動(dòng)都會(huì)對(duì)電機(jī)、電纜、接觸器產(chǎn)生很大的沖擊，在較大慣性負(fù)載的情況下，會(huì)產(chǎn)生幾倍于額定值的啟動(dòng)電流(6—7倍)，所產(chǎn)生的電流沖擊和機(jī)械沖擊，會(huì)對(duì)設(shè)備造成不利的影響。使用變頻裝置以后，啟動(dòng)時(shí)電流從零開始，隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊大幅度下降，可以延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維修費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電廠風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)可以按照系統(tǒng)的需要進(jìn)行風(fēng)量的及時(shí)調(diào)節(jié)，提高了設(shè)備運(yùn)行效率，又降低了電能消耗、設(shè)備維修費(fèi)用。同時(shí)，該控制系統(tǒng)具有完善的報(bào)警和保護(hù)功能，大大提高了電廠風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化安全運(yùn)行水平。泵與風(fēng)機(jī)具有相似的運(yùn)行特性，該控制系統(tǒng)稍加改進(jìn)便可用于泵的調(diào)速。基于PLC的變頻調(diào)速技術(shù)在電廠中具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 白愷. 火力發(fā)電廠中壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用調(diào)查 [J]. 電力設(shè)備，2008，25(5):106-108.

[2] 張選正．中高壓變頻器應(yīng)用技術(shù)[M]．北京，電子工業(yè)出版社， 2007：30-40.

[3] 杜均新．高壓變頻器在煤礦主通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用[J]．煤礦機(jī)械，2008，29(4)：157-160.

[4] 李明，黃丕維，朱光明．火電廠泵與風(fēng)機(jī)變頻改造技術(shù)及應(yīng)用[J]．華電技術(shù)，2008，30(8)：55-57.

[5] 盧正偉．變頻調(diào)速在電廠給供水應(yīng)用探討 [J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25(10)：79-80.

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。