基于ABB通用变频器三菱PLC的风机变频节能改造设计说明

1引言目前,在我国大多数风机在使用过程中都存在大马拉小车的现象，加之因生产、工艺等方面的变化，需要经常调节气体的流量、压力、温度等。

许多单位仍然采用落后的调节档风板或阀门开启度的方式来调节气体的流量、压力、温度等。

这实际上是通过人为增加阻力的方式，并以浪费电能和金钱为代价来满足工艺和工况对气体流量调节的要求。

这种落后的调节方式，不仅浪费了宝贵的能源，而且调节精度差，很难满足现代化工业生产及服务等方面的要求，负面效应十分严重。

变频调速出现为风机改造带来了一场革命。

随着近十几年变频技术的不断完善、发展。

变频调速性能日趋完美，已被广泛应用于不同领域的交流调速。

为企业带来了可观的经济效益，推动了工业生产的自动化进程。

变频调速用于交流异步电机调速，其性能远远超过以往任何交、直流调速方式。

而且结构简单，调速围宽、调速精度高、安装调试使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著，已经成为交流电机调速的最新潮流。

锅炉风机在设计时是按最大工况来考虑的，在实际使用中有很多时间风机都需要根据实际工况进行调节，传统的做法是用开关风门、阀门的方式进行调节，这种调节方式增大了供风系统的节流损失，在启动时还会有启动冲击电流，且对系统本身的调节也是阶段性的，调节速度缓慢，减少损失的能力很有限，也使整个系统工作在波动状态；而通过在锅炉风机上加装变频调速装置则可一劳永逸的解决好这些问题，可使系统工作状态平缓稳定，并可通过变频节能收回投资。

采用变频器控制电机的转速，取消挡板调节，降低了设备的故障率，节电效果显著。

实现了电机的软启动，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击。

电机将在低于额定转速的状态下运行，减少了噪音对环境的影响。

具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能。

运转状态灵活多样，可手动控制也可完全实现自动控制，且可与锅炉其他自控装置进行电气连锁，实现锅炉的自动保护及计算机控制，不会因事故影响生产。

安装时可不破坏原有的配电设施及环境，不影响生产。

只需调节电位器旋钮即可调整风量，操作方便。

2风机变频调速的节能原理2.1风机水泵控制设备现状在工业用风机中，如锅炉鼓、引风机等，大部分是额定功率运行，风机流量的设计均以最大风量需求来设计，其调整方式采用档板，风门、回流、起停电机等方式控制，无法形成闭环控制，也很少考虑省电。

电气控制采用直接或 Y-△启动，不能改变风机的转速，无法具有软启动的功能，机械冲击大，传动系统寿命短，震动及噪声大，功率因数较低等是其主要的难点。

三相异步感应电动机的参数关系如公式(2.1)所示1(⨯)= (2.1)-⨯p60fn/Sn----电动机转速，r/min；S----转差率；p----电机极对数；f----电源频率，Hz。

对于选定的电动机而言，转差率S和电动机极对数p均为常数，电动机的转速取决于电源频率f，变频器就是通过改变电源频率f的方式来改变电动机的转速，达到改变风量的目的。

由于转速与频率之间是线性关系，其转速的全程调节性能均较好，调节较为平滑。

变频器是一种比较理想的改变电源的装置。

2.2风机水泵的节能原理用调速代替挡风板或节流阀控制风流量，是一个节电的有效途径。

如图2.1给出了风机调节和变频调速两种控制方式下风路的压力-风量（H-Q）关系。

图2.1 压力-风量关系其中：曲线1n 是风机在某一较低速度下的H-Q 曲线； 曲线2n 风机在而定的转速下的H-Q 曲线；曲线1是风门开度最大的风路H-Q 曲线曲线2是风机在某一较小开度下的风路H-Q 曲线。

可以看出，当实际工况风量由1Q 下降到2Q 时，如果在风机以额定转速的运转的条件下调节风门开度，则工况点沿曲线2n 由A 移到B ；如果风门开度最大的条件下用变频调节风机转速，则工况点沿曲线1由A 移到C 点。

显然，B 点与C 点的风量相同，但C 点的压力要比B 点风机的压力小得多，也就是说，风机在变频调速运行方式下，节能效果明显。

2.3流体力学的观点风机流量与转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次方成正比。

因而，理想情况下有如表2.1所示由上表可见：当需求流量下降时，调节转速可以节约大量能源。

如，当流量需求减少一半时，如通过变频调速，则理论上讲，仅需额定功率的 12.5% ，即可节约 87.5 %的能源。

如采用传统的挡板方式调节风量，虽然也可相应降低能源消耗，但节约效果与变频相比，则有天壤之别。

目前绝大多数锅炉燃烧控制系统中的风量调节都是通过调节风门挡板实现的，这种风量调节方式不但使风机的效率降低，也使很多能量白白消耗在挡板上。

为节约电能，提高锅炉燃烧控制水平，增加经济效益，采用风机变频调速系统取代低效高能耗的风门挡板，已成为各锅炉使用单位节能改造的重点。

3锅炉系统控制方案的确定3.1锅炉组成锅炉是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的密闭压力容器，是锅和炉的组合体。

锅是溶水产汽（或热水）的部分，也是汽、水系统。

炉是燃料燃烧的放热部分，也就是煤、风、烟、灰系统。

锅炉就是汽、水系统和煤、风、烟、灰系统的统一体锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。

3.1.1汽、水系统汽、水系统由省煤器、汽包、对流管束、水冷壁、过热器等组成，如图3.1所示。

图3.1 汽、水系统省煤器：锅炉省煤器是锅炉尾部烟道中将锅炉给水加热成汽包压力下的饱和水的受热面，由于它吸收的是比较低温的烟气，降低了烟气的排烟温度，节省了能源，提高了效率。

汽包：汽包也称锅筒。

是自然循环锅炉中最重要的受压元件。

汽包分成汽空间和水空间，用来进行蒸汽净化，对下降管进行可靠供水，保证锅炉正常水循环。

汽包的作用主要是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环。

对流管束：对流管束是指水管锅炉上下两端分别与上下锅筒联接的一束钢管，是小型水管锅炉的重要蒸发受热面。

水冷壁：水冷壁是锅炉的主要受热部分，它由数排钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周。

它的部为流动的水或蒸汽。

水冷壁的作用是吸收炉膛中高温火焰或烟气的辐射热量,在管产生蒸汽或热水，并降低炉墙温度,保护炉墙。

过热器：锅炉中将饱和温度或高于饱和温度的蒸汽加热到规定过热温度的受热面，又称蒸汽过热器。

3.1.2煤、风、烟、灰系统煤、风、烟、灰系统由给煤斗、炉排、空气预热器、风室、烟道、烟囱、灰斗车等组成，如图3.2所示。

煤斗：煤斗装有一分离筛，分离筛下安装偏心滚轮，分离筛及偏心滚轮由传动机构带动来回晃动，分离筛下方有分行齿闸门，分行齿闸门由滚轮带动，对分离筛筛下的煤进行分行后进入燃烧器。

炉排：锅炉中堆置固体燃料并使之有效燃烧的部件。

整个炉排主要包括框架和炉排片两个部分。

空气预热器：空气预热器简称为空预器，多用于燃煤电站锅炉。

是锅炉尾部烟道中的烟气通过部的散热片将进入锅炉前的空气预热到一定温度的受热面。

风室：锅炉风室要求密闭性能好，调节灵活，布风合理，降低了空气过量系数，提高了锅炉的热效率烟道：烟道是用于引导烟气或布置受热面的烟气通道。

烟囱：将烟气导向高空的管状建筑物。

烟囱作用是拔火拔烟，排走烟气，改善燃烧条件。

图3.2 煤、风、烟、灰系统图3.1.3附属系统根据工作的需要，还要建立相应的服输系统，包括上煤系统、通风系统、除灰系统、给水系统、供气系统、仪表自动化系统等。

上煤系统：由储煤场将煤混合好，有运送机械送至煤仓，进入煤斗，然后随炉排送入炉燃烧。

通风系统：由鼓风机将空气送入预热器，是进入炉膛的风温提高，很快与燃料在高温状态下进行剧烈的氧化燃料反映，长生很多的热燃气，将热传给汽、水系统、燃气温度下降以后形成烟气顺着尾部通过省煤器和空气预热器由引风机吸到烟道入烟囱排至大气。

除灰系统：由冷灰斗、除灰机等组成。

由炉排末端漏下的灰通过冷灰斗落入除灰机排走。

给水系统：由储水箱、给水泵、给水管路、省煤器等组成。

经过软化的水进入储水箱，由给水泵通过给水管打入省煤器进入汽包。

供气系统：由过热器、减温器、集汽包、供汽管路等组成。

由锅炉汽包引出的饱和蒸汽，通过过热器把蒸汽的温度提高到一定程度，由减温器控制所需温度，再由蒸汽通道送至用户。

仪表系统：由蒸汽、水流量、压力、温度、液位指示，给煤、送风等机械和自动化调节装置等组成。

3.2链条锅炉链条锅炉是机械化程度较高的一种层燃炉，是火床燃烧的一种。

煤在水平运动的路牌上燃烧，空气经预热器从炉排下方自下而上的引入。

煤从煤斗落到炉排上，经过炉阀门时被刮成一定厚度后进入炉膛，没在炉排上分段燃烧成渣，炉渣随着炉排的转动排出。

炉膛中燃烧的煤所释放的热量，被炉膛周围的水壁吸收而在汽包中达到汽、水分离，高温高压蒸汽进入分汽缸通过换热站供用户。

燃烧产生的烟气被引风机带动经过省煤气、空气预热器换热后再经过除尘排入大气。

工艺流程图如图3.3所示。

图3.3 工艺流程图炉排燃烧的特点是：燃料在固定的、活络的、推动的、震动的或转动的炉排上燃烧。

燃烧所需空气由炉排下供给，与燃料气激烈化学反应，放出热量，并形成具有较高温度的烟气，在炉膛空间继续燃烧放出热量，最后离开炉膛，进入对流热面、尾部受热面、进行换热，由烟囱拍之大气。

链条炉排是一种可以循环转动的炉排。

燃烧进入炉膛后，随着炉排的转动，依次完成预热、干馏、着火、燃烧、燃烬阶段。

由于运行可靠，燃烧稳定，被广泛采用。

链条炉拍的煤，借煤的自重通过煤斗落到炉排上。

用煤的多少，是根据过路的符荷，用煤阀板控制。

煤阀板上的金属框架嵌有耐火材料。

此外，它由机械传动调节其开度。

为了防止煤阀板烧坏、变形，一方面耐火材料要具备较高的耐火度，另一方面，还可以在煤阀板上安装循环水冷却管，冷却煤阀板。

链条炉排的一次空气，是由炉排下部进入的。

风道可以由一侧引入，对于较宽炉排，也有从两侧同时引入的。

一半分段送入，俗称分段送风。

分段风室三至五个相互隔绝，每个风室都有蝴蝶挡板控制其风压与风量。

风室是由薄钢板焊接成的。

炉排工作面约有40%实在较高温度下工作，其余的炉排在下面空走着，使炉排片得到了良好的冷却。

链条炉排的后部装有挡渣装置，其作用为了延长灰渣在炉排后部的停留时间，以使夹杂在灰渣中的可燃物进一步燃尽。

3.3锅炉系统控制原理3.3.1锅炉自动运行的主要任务锅炉自动运行的主要任务是：保持汽包水位在规定的围，控制蒸汽压力的稳定，控制炉膛负压在规定的围，维持经济燃烧。

工业锅炉是一个复杂的调节对象。

有多个调节参数和被调节参数，并且还存在错综复杂的扰动参数。

参数的相互作用如图3.4所示图3.4 炉输入参数和输出参数之间的影响示意图锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的对象，调节参数与被调节参数之间，存在许多交叉影响。

因此，理想的锅炉自动调节系统应该是多回路的调节系统。