摘 要：随着市场竞争的不断加剧，节能增效已经成为提高产品竞争力的重要手段之一。而在轧钢加热炉的生产中，风机电能消耗是一笔不小的生产费用开支。本文分析了变频调速技术在三钢棒材厂加热炉风机中的应用，并通过运行实验得出变频改造的经济性。
关键词：变频调速 风机 节能
中图分类号：TK223.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0091-02
福建三钢棒材厂采用两座蓄热式加热炉加热，设计加热能力100 t（冷坯）和60 t（冷坯），采用空气、煤气双预热的蓄热式烧嘴技术，燃料为转炉煤气，煤气热值5860 kJ/m3。两座加热炉一共有6台风机，其中鼓风机2台，引风机4台。操作工在操作台通过调节风门挡板来实现风量的调节，从而实现对风压、排烟温度、炉膛压力的控制。鼓风机挡板开度的控制主要参考操作台显示的空气压力，而引风机主要靠操作人员的经验。因此控制不够精确，且通过多次炼钢综合改造后，棒材线热装率达到了80%以上，加热炉风机长期在低负荷运行，导致了大量的电能损耗。因此决定对加热炉风机控制系统进行变频节能改造。
1 风机电机定速拖动的运行分析
1.1 加热炉风机运行情况
电机在热生产时会有很大的余量，挡板通常会档板调到20%左右运行，在高速转动的风机和低负荷的运行情况下，分机会产生较大的震动，电机温度高，现场噪声大且操作环境恶劣。停炉保温期间，由于加热炉热负荷很低。通常将挡板调到10%以下时，由于负压过大，对机械冲击大，甚至可能会引起管道的喘振，危及设备运行安全。
1.2 风机定速拖动时的缺陷
（1）风机电能损耗严重。风机在低负荷运行时，在挡板两侧风压较大，出现极大的风压损耗和节流损耗，风机的能效转换效率低。（2）工作环境恶劣。风机运行的负荷较低的时候，会造成管道震动而产生较大的噪音，旁边操作台会因此震动并且造成噪音超标，会危害到操作工人的身体健康。（3）危害设备。电流会在启动时较大，音响厂内的电源波动，耗电量大。也会因想到电机的寿命。电机和风机的轴承在运行产生的过大震动会造成较大磨损。且造成风道、风机软连接寿命降低。仅2012年一年，两台鼓风机风机软连接更换次数达到了3次。烧电机的现象也时常出现。
2 风机调速运行时的节能原理分析
2.1 风机运行特性曲线
用以表示通风机的主要性能参数（如风压H、风量Q、功率N及效率η）之间关系的曲线称为风机特性曲线或风机性能曲线。为了使用方便，通常将H—Q曲线、N—Q曲线、η—Q曲线画在同一图上。离心式风机，其属于平方转矩类型的负载，在额定转速运行的特性曲线如（图1）。
从（图1）可以看出，在一定转速下，风机的效率随着风量的改变而变化，但其中有一个效率最高点ηmax。相应于最高效率下的风量、风压和轴功率称为风机的最佳工况，在选择风机时，应使其实际运转效率不低于0.9ηmax。此范围称为风机的经济使用范围。
2.2 风机流量的确定
风机在单位时间内所输送的气体体积称为风量。风机在运行时，通过风机所产生的风压H（即全压）与管网阻力R的共同作用，出现一个稳定的风量输出点，我们称之为工况点（图2中的点M），M点对应的效率曲线上的ηm的值为该工况下的风机运行效率，Qm为工况M风机的风量，其曲线如（图2）。
2.3 风机流量的调节方法
（1）将管网的阻力进行改变来调节风机输出。当风机转速保持不变，管网阻力发生变化时，风压随之改变，风机运行的工况点将改变，风量将随之发生变化，其特性曲线如（图3）。
在实际运行中，操作工通过调节挡风板的开度来实现风量Q的改变，随着挡板开度的不断减小，管网阻力随之不断加大。如图3中挡板的三种开度对应R1、R2、R3三种不同的管网阻力工况，由于实际运行中风机转速不变，其三种管网阻力工况与风机压力特性曲线分别出现了M1、M2、M3三种工况点。三种工况点对应的三个风量Q1、Q2、Q3就是在转速不变时，三种挡板开度所对应的三个风量。从中可以看出，调节挡板的开度，即可以调整风机输出流量的多少。且随着挡板开度的不断减小，其风机的运行效率也将不断降低，甚至偏离风机的经济适用范围，造成能耗的浪费。
（2）通过改变风机的转速来实现对风机的风量调节。当管网阻力不变，改变风机的转速时，风机的压力特性曲线随之改变，其特性曲线如（图4）。
当风机的转速定为n1、n2、n3时，每个转速都对应其相应的压力特性曲线，在管网阻力R不变的情况下，工况点随之改变为M1、M2，其对应的流量变为Q1、Q2。由于风机转速改变时，风机效率曲线也将随之改变，因此通过改变转速的方式调节风机流量，通过计算，可以使风机的效率始终在经济适用范围内，达到节能降耗的目的。在实际生产中，通常采用内反馈串级调速电机，高压变频器，液力耦合器等方法达到对风机转速的调节，从而在管网阻力不变的情况下调节流量。
2.4 风机定速运行与风机调速运行在输出同等风量时的比较
当风机的额定转速为n1，挡板全开管网阻力为R1，额定风量为Q1时，通过调节挡板（即调整管网阻力）和风机转速的两种方法，将风量改变为Q2，其运行工况的差异如（图5）所示。
从图中可以看出，在同等风量的情况下，用速度调节的工况点是M2，运行时压为H2。用挡板调节的工况点是M3，运行时压力为Hf。
2.5 两种风量调节方法消耗能量的差异
通过流体力学的基本定律可知，风机设备属于平方转矩负载。其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。因此定速调节风量与用调速调节风量对比，随着实际输出流量与风机额定流量差值的加大，其能量的消耗差异也呈平方比例系数加大。
3 风机高压变频器调速的实测数据
下表为我厂1#加热炉空烟引风机调速改造后的实际测量数据。从（表1）中看出，实际运行中，当风机输出流量较低时，调速运行节能效果明显。我厂加热炉生产中，钢坯热装率较高，因此加热炉通常在低负荷状态下运行，风机输出流量较低，节能效果明显。
4 结语
根据以上计算出的调速运行状态，全热装时，风门开度约20%，定速运行单位电耗22.8 kW·h，调速运行后风机频率为35Hz单位电耗7.6 kW·h，每小时节电达15.2 kW·h。以上为在理想状况下的单位节能，在实际运用中，考虑到设备的效率转换，调速装置的损耗，还应乘以0.85的额外消耗系数，实际单位节电按12.92 kW·h进行计算。以正常年工作300天计算，热装率80%，共计两台引风机其节电总量为：148838 kW·h。以电价每kW·h费用0.57元计算，年节约电量应达84838元。若其余四台风机都采用变频调速，年节约电耗可达50万元以上。
参考文献
[1] 韩立军.加热炉引风机变频调速控制系统[J].控制工程，2002（5）.
[2] 芈新建.变频调速技术在循环流化床锅炉风机应用中的节能分析[J].宿州学院学报，2009（10）.
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