變頻調速在海上平臺風機節能降噪中的應用

鄒 菁，張海榮

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

我國大量使用的軸流風機普遍存在著效率低、噪聲高的缺點。目前經常采用加裝消聲器來降低噪聲；這不僅增加了投資成本而且在風機整個運行中由于消聲器的壓力損失而造成能源損耗，這對節約能源很不利[1]；尤其海洋石油平臺，電力來源單一且稀缺，且平臺空間有限另外增加降噪設備顯然不現實。因而從風機本身出發進行節能降噪才是最有效的途徑。實踐表明，風機采用變頻調速技術進行控制，不但運行管理方便，而且有利于節能降噪[2]。

隨著電力電子技術、微電子技術、信息技術和現代控制理論在調速系統中的應用，變頻調速技術已經成為現代電力傳動的一個發展方向[3]。變頻調速技術調速精確、調速范圍廣泛，而且變頻技術在節電節能方面的優勢是其他交流調速所無法實現的[4]。所以，將固頻控制電機驅動的風機改為變頻器控制，既保持了原電機結構簡單，可靠耐用，又能達到節能降噪的顯著，是電驅動風機調速節能的理想方法[3]。

1 變頻調速技術及節能原理

1.1 變頻調速技術

變頻調速實現的主要設備就是變頻器。變頻器（Variablefrequency Drive，VFD）的作用是將交流電源的固定頻率和電壓轉換為一個可變的頻率和電壓以便驅動電機。電機的轉速將隨頻率的改變而線性變化。為了對電機轉矩進行精確控制，在電機的整個轉速范圍內保持電壓與頻率比的恒定十分重要，即要使V/f正比于Φ（常數），其中，V為電機轉速，f為電機頻率，Φ為電機磁通量[5]。

變頻器通過改變電機頻率而達到無級調速的目的。頻率能夠在電機的外面調節后再供給電機，這樣電機的旋轉速度就可以被自由的控制。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是作為電機調速設備的優選設備[6]。因此通過變頻器改變電機頻率可以實現改變電機轉速的目的。

1.2 變頻調速節能原理

根據流體機械的公式有：Q2=Q1（n2/n1），H2=H1（n2/n1）2，P2=P1（n2/n1）3，即泵或風機流量與轉速成正比，壓力與轉速平方成正比，軸功率與轉速立方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。如所需風量下降80%，則轉速也下降為額定轉速的80%，而軸功率降為51%；當所需風量為額定風量的50%時，而軸功率降為13%[7]。

變頻器的變頻調速是通過調節頻率實現的，因此變頻調速是風機節能的最佳方案。當工頻情況下的頻率是50 Hz，如果使用的頻率是40 Hz，也就是頻率下降至0.8，則電機轉速下降至原額定轉速的0.8，下降的幅度與頻率下降的幅度成一次方程式關系，也就是線性關系，而且風機的風量下降也為額定風量的0.8。但風機的風壓下降比例則變化大了，成二次方比例下降，即風壓下降為0.8×0.8=0.64，風壓會變為額定風壓的0.64，下降了36%。至于輸出功率，則成三次方比例關系即0.8×0.8×0.8=0.512，功率下降了48.8%，風量僅下降了20%，顯然通過降低風機運行頻率，節能效果非常明顯，節能原理如圖1所示[3]，其中，n1為風機在額定轉速運行時的特性曲線，n2為風機降速運行在n2轉速時的特性曲線，R1為風機管路阻力最小時的阻力特性曲線，R2為風機管路阻力增大到某一數組時的阻力特性曲線。

圖1曲線原理說明，假設有風機正按特性曲線R1運行，此刻其工況點為A，流量和壓力分別為Q1和Pl，此時風機所需的功率就等于APlOQ1所圍成的四邊形的面積。由于運行工況需要，將這臺風機的風量從Q1減少到Q2時，如果通過減小風機風門的開度，則風道運行管網管道阻力會增加，這將導致風機的工況點移到特性曲線R2上的B點位置。由圖可知，風機雖然實現了風量下降，風壓卻增大到P2位置，此時風機所需的功率等于BP2OQ2所圍成四邊形的面積。由圖1可知，風機所需的功率有所增加。這種運行方式雖然容易實現降低風量但卻不節能。如果運用變頻調速技術，將該臺風機運行轉速由n1下降至n2，同時保持風門開度不變，此時風機的運行工況點將由A點移到C點，流量保持Q2不變，由圖可知此時風壓由Pl下降至P3，此時風機所需的功率就等于CP3OQ2的所圍成四邊形的面積，顯然風機按照此種方式運行，節能效果非常明顯。

2 變頻調速降噪原理

海洋石油平臺風機噪聲，包括機械噪聲（風機本體、電機，軸承振動等的噪聲）和空氣動力性噪聲。其中以空氣動力性噪聲為主，其聲壓通常高于機械噪聲10 dB以上，它通過通風機的進出口向周圍空氣傳播[8]。

圖1 風機風壓——風量特性曲線

風機的空氣動力噪聲主要由旋轉噪聲和渦流噪聲等2部分組成。研究表明，風機的這兩類噪聲中，旋轉噪聲與葉輪的圓周速度的10次方成比例，渦流噪聲與葉輪圓周速度的6次方（或5次方）成比例。可見，在風機直徑一定的情況下，葉輪的轉速是影響軸流風扇噪聲的重要因素，即就是轉速越高噪聲越大[9]。

因此，通過變頻調速器在不影響使用效果條件下適當降低通風機的轉速，便成為海洋石油平臺風機降噪的重要方法。

3 變頻調速節能降噪改造應用實例

3.1 改造前存在的問題

某平臺變壓器間共有2組6臺7.5 kW軸流風機，3臺進風機3臺出風機，工作模式為4用2備，功率為30 kW，保證變壓器間通風換氣。但變壓器間上方為員工生活區和辦公區，風機在運轉中會產生的噪聲在啟動4臺風機時，該區域噪聲為75 dB（關門），超過平臺生活樓居住環境對噪聲控制最低要求。

同時，這6臺風機采用異步電機直接驅動，此種方式存在著一定的缺陷和問題，例如電氣保護的特性較差、所啟動的電流過大、產生機械沖擊，同時由于風機沒有較高的運行效率從而造成很大程度的電能浪費情況等諸多缺陷。

3.2 制定改造方案

如前所述，風機的電機采用變頻調速控制，不僅節省電能而且可以降低噪聲，同時風機運行的安全穩定性得到提高。因此，根據現場的實際情況，保留風機的驅動電機，將原電機由固頻改為變頻控制，僅需在原設備基礎上增加變頻柜和變頻器即可。考慮到整體投資及系統的先進性和可靠性，對風機控制系統的改造采用施耐德交流變頻器ATV61為核心的控制系統，變頻柜采用該平臺淘汰下來的廢舊控制柜即可完成改造。

3.3 改造后效果

某平臺變壓器間風機增加變頻控制系統后經過6個月的生產運行，此次改造各項指標完全達到節能降噪改造要求。

3.3.1 降低噪聲效果

某平臺變壓器間風機在采用40 Hz運行后，變壓間通風散熱的效果與采用工頻50 Hz散熱效果基本相同，生活樓噪聲卻降低到50 dB，達到員工生活區和辦公區噪聲不超過55 dB的標準要求，這對改善員工休息和工作環境具有極大的效益。

3.3.2 節能降耗效果

某平臺變壓間風機按照4用2備工作模式，風機采用40 Hz頻率運行后，相比工頻50 Hz運行功率減少14.6 kW，每年節能電能12.8萬kW·h；這對海洋平臺環境稀缺的電源資源將非常有益處。

3.3.3 有利于風機的維護保養

變頻調速器投用后，啟動風機時轉速由零逐漸增大，消除了以前電機直接啟動時風機內壓力驟增，造成對風機葉輪的沖擊。這對延長風機使用壽命，減少工人維護的勞動強度開創了新的途徑。

4 結論

變頻調速技術在某海上平臺風機節能降噪改造的應用非常成功，既降低了裝置的電能消耗，又降低了員工生活和工作場所的噪聲，減少了風機維護的工作量。