摘 　要:通过对风机系统特性曲线分析 ,可以应用变频调速装置 ,取代原系统利用电动执行机构驱动风门挡板来调节风量的办法 ,和 PLC系统构成闭环 PID 调节控制系统 ,实现对风机风量的直接自动控制 ,以此解决风机长期在恒压恒速、低负荷、低效率下工作 ,达到节能降耗的目的。
关键词:变频 　调速 　彩涂板 　加热炉 　风机

0 　引言
　　在彩涂板生产线加热炉系统运行过程中 ,工艺生产需要的空气温度、压力和流量是在不断地变化
之中 ,而作为动力源的风机电机处于恒压恒速工作状态 ,也就是说输出功率不能随着负荷的变化而变
化 ,能源消耗极大。这里介绍的是风机系统可以采用变频调速进行改造 ,应用 PLC构成风压闭环自动控制系统 ,能够实现电机根据负荷的变化而变速运行 ,自动调节风量 ,既能满足生产需要 ,又达到了节能降耗的目的。

1 　彩涂板厂加热炉风机概况
      彩涂板生产线加热炉系统现有风机 34 台 ,1#2# 生产线各17 台,其中风机电机规格如表 1 所示。

　　按每年生产12 个月,每月25 天 ,每天24h 生产计 ,全年光加热炉系统耗电为 2416.68 万度。
　　接平均每度电 0. 52 元计算 ,全年需支付电费21257 万元 ,可见 ,在整个生产线设备系统运行中 ,加热炉系统是耗电大户。
    风机电机现为全压恒速运行方式工作,现场采用电动执行机构驱动风门挡板来调节风量,以此增大或减小风道阻力,改变流量。采用这种办法来调节风压 电机功率下降不多 耗能却很大 据统计 至少浪费了20 %以上的能源,是一种不经济的运行方式。
　　为何采用改变风门挡板来调节风量 ,是一种不经济的运行方式 ? 为了更清楚地了解风机负载的节能原理,首先分析一下风机的工作特性和物理参数关系。

2 　风机特性分析
　　离心式风机和轴流式风机属于典型二次方转矩负载,在忽略风道变化因素后,理论上风量与转速一次方成正比,风压与转速二次方成正比,轴功率与转速三次方成正比。当风量减少或风量下降时,其轴功率按速度的三次方下降。例如风量减少 20 %,速度下降20 %,则轴功率将下降到额定功率的 51 %。如风量减少一半,轴功率则减少到额定功率的 1/ 8,当然实际还有考虑转速下降引起的机械效率的下降及附加调速装置的损耗,但这些损耗都是不大的,因此,只要实际需要的风量有裕量,就有很明显的节能潜力。
　　风机系统的风量2风压(Q2P)关系曲线见图 1。

    一台风机的风量和出口风压(准确地说是风机出口和入口之间的压力差)除受风机本身结构参数以及转速的影响外 ,还受到风道阻力等因素影响 ,但在一定的转速下 ,风量和风压之间的关系都是固定的。2 2风压高时 ,风量就小。图 1 中 ,P1～P3 曲线分别是不同频率对应转速下的风量 —风压曲线 ,它反映风机自身的特性 ,与风道参数无关。
　　一个风机系统总是有自己特有的风道 ,即使是没有明显风道的情况 ,如轴流风机 ,其外壳和周围空间内的空气也会形成带有特定阻力的等效风道。风道内流过的风量与风机能力有关 ,但多大的风量需
要多大的风压却只有风道阻力决定 ,与风机无关。
     风道内风量与风阻造成的风压损耗关系就是风道的风量2压损曲线。图 1 中的 C1～C3 是三种不同阻力下的风量2压损(Q2R)关系曲线。其中 C1 是自然风道阻力曲线 和 是利用挡板将阻力改变 用,C2 C3 ,于调节风量的阻力曲线。
　　一台特定的风机与一个特定阻力的风道组成风机系统后 ,风机工作曲线与风阻曲线的交点就是系统的工作点 ,这时风机的风压与风道的风压损失平衡 ,风量和风压被唯一确定。如图 1 中 P1 曲线与C1 曲线的交点 a 就是风机自然工作特性与自然风道阻力曲线的交点 ,即不采取任何调节措施时的标准工作点。
3 　节能原理
　　如果需要调节风量 ,从图 1 中可以看出有二个途径。
　　一个途径是不改变风机工作特性 ,通过改变风道阻力来调节风量。这时在风道内装设节流装置 ,如调节挡板 ,用于调节风量 ,随着风阻增加 ,风阻曲线由 C1 过渡到 C2 和 C3 曲线 ,工作点则沿着曲线P1 上 a 点 →b 点 →c 点移动。从图中可见 ,交点的变化导致风量降低 ,同时却造成风压提高。另一方面 ,在设计风机时 ,标准工作点附近的效率是最高的 ,随着工作点偏移 ,风机的效率也相应降低。由于风机轴功率 Pw = PQ/η,因此 ,当风量降低时 ,风压的提高和效率的降低使轴功率虽然有变化 ,却远远没有风量的变化明显。在考虑机械损耗和电损耗后 ,挡板调节对于输入电功率的影响如图 2 中的Pw2曲线所示。
　　另一个途径是不改变风道阻力 ,通过改变风机工作特性来调节风量。对于一台特定的风机工作特性随转速的改变而改变。这时对风机采用变频调速 ,使转速发生变化 ,风机特性曲线从 P1 过渡到 P22和 P3 曲线,工作点沿曲线 C1 上 a 点 →d 点 →e 点移动。从图 1 可知 ,交点的变化导致风量降低 ,同时也使风压降低。此时的情况基本符合风量正比于转速 ,风压正比于转速平方的关系。另外转速变化时效率也偏离最佳点 ,对轴功率有一定的影响 ,综合计算的轴功率如图 3 中的曲线 1 所示。

　　考察节能效果应该以电网输入的电功率为依据 ,因此 ,电动机及风机轴上的机械摩擦损耗、变频器及电机内部的电损耗都应该考虑在内。摩擦阻力基本是一个恒定转矩 ,它产生的损耗与转速呈线性关系 ,如图 3 中曲线 2 所示 ,各种电损耗随着转速降低略有减少 ,其变化规律大致如图 2 中曲线 3 所示 ,将曲线1～3 合成 ,则得到图 3 中的输入电功率 Pw 。

　　根据风量与转速呈正比的关系,转速—功率坐标平面的电功率曲线可形状不变的移到风量—功率的坐标平面中,即图2中的 Pw1曲线。从这个曲线可以查到不同风量下的输入电功率,再与标准工作点下的输入电功率比较,其差值ΔPw1就是调速所节约的能量,而在不同风量下的 Pw2 和 Pw1 曲线间的差值ΔPw2 就是以变频调速代替挡板调节风量所节约的能量。从图3中可以看出:在一定的范围内,实际需要风量与标准工作点的理论风量差距越大,节能效果就越明显,不同实际需要风量下节电率的大致数据见表2。

4 　系统原理
　　可对现有风机电机加装变频调速装置,利用现有管道上的温度、压力和流量检测元器件,通过 PLC对各种信号进行变换和处理,对风机风量进行 PID调节控制,为变频调速装置提供参变量,实现对频率的自动调整,也就是对电机的转速进行调整,以达到根据工艺要求,自动调整输出功率、节能降耗的目的。

5 　节约电能估算
　　以化学干燥炉热风风机为例 , 电机功率110kW ,入口挡板调节 ,平均开度为 18 %,查挡板特性曲线 ,得此时风量约为挡板全开时的 60 %,由表 2中可见 ,查得节电率为 48 %～58 %,取保守值 48 %,得节电功率 52.5kW ,该风机按每天 24h 运行 ,年运行 280 天 ,平均电费 0.52 元/ kW ,则改为变频调速后年节电约为 18.45 万元。
　　若改造成本为 10 万元左右 ,7 个月即可收回全部投资。
　　另外 ,改为变频调速装置后 ,风机运行将更加平稳 ,无大的冲击负荷 ,据测算 ,系统可延长大修周期1～2 年 ,每年可节约大修费用 2 万元。6 　结语
　　风机系统应用变频调速运行方式 ,可以根据工艺要求自动调节风机的转速 ,能够解决设备噪音大、低负荷、低效率和节门损失大等问题 ,为降低成本 ,延长设备使用寿命 ,节能降耗 ,减轻劳动强度 ,改善工作环境 ,开创了新的途径。

参考文献
王 　树 变频调速系统设计与应用 北京 机械工业出版社 ,2005(4) :199～2001