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摘要：煤矿原有锅炉风机（鼓风机、引风机）都是在工频状态下运行的，电气多采用接触器控制，故障率高，流量调节控制靠改变风门挡板或阀门来实现，其机械设备维修量大，工人劳动强度大，节流引起大量电能损失，电网冲击及电能浪费也很严重。变频技术作为一种电子技术，它的应用使设备工作效率明显提高，操作更加方便，还能节约能源，带来可观的经济效益。为此，大多数煤矿都对原有的风机控制设备进行了技术改造，采用变频技术来控制。通过变频技术来调节电动机转速以调节风量，可精确地调节锅炉送风量及引风量，提高锅炉热效率及燃烧效率。本文对变频技术在锅炉风机中的应用进行分析。
关键词：变频技术；锅炉风机；应用
1、变频调速节能原理
1.1变频器控制风机电机流程
在实际工作中，风机的工作电压根据变频器的输入端子进行科学合理的设定，变频器由预编程序进行控制，通过对压力信号进行实时的监测，再根据监测结果，输出对应的控制信号。控制信号通过对输入电源的频率进行有效控制，进而对风机转速进行有效的调节，从而对炉膛风压进行科学合理的调节，设置在炉膛内部的传感器能够实时对其内部的风压进行有效的监控，再将风压信号进一步传递给变频器，进而能够对风机进行科学合理的自动控制。
1.2电动机转速与电源频率的关系
根据电磁感应原理得知，电动机转速与电源频率之间的关系为
式中：n为转速；f为频率；p为电动机极对数。当风机转速改变，而其它条件不变时，性能参数有如下关系：
式中：Q0为风机额定流量；Q′为改变后的风机流量；H0为风机额定风压；H′为改变后风机风压；N0为风机额定轴功率；N′为改变后风机轴功率；n0为电动机恒定转速；n′为改变后的电动机转速；K为比例系数。通过式（2）可看出，流量与转速成正比，风压与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。当频率降低时，其电动机转速降低，而相应流量、风压和轴功率也降低，反之将增加。
2、鼓风机、引风机变频控制原理
（1）锅炉运行中，鼓风机需要连续不间断的工作，为炉膛燃料的充分燃烧提供充足的氧气，确保燃料得以充分利用。鼓风机的控制回路根据锅炉炉膛内部的实际温度进行针对性调节，确保炉膛内部温度始终处于合理范围，避免温度过高或过低，对锅炉的运行造成不利影响。炉膛内部温度发生变化后，感应器能够进行有效的检测，通过变送器将温度信号转化为电信号，再经过PID控制算法处理后输入变频器，变频器根据信号输出不同的电压和频率，实现鼓风机电机变频控制。（2）锅炉运行过程中，会产生大量的烟气，排烟风量过大，会导致排烟温度过高，造成不必要的能量浪费；排烟风量过小，烟气的大量聚集，使空气无法进入，导致锅炉效率的降低。通过感应装置实时监测炉膛内的负压值，再经变送器将信号传输至变频器，借助PID对工作参数进行调整，实现引风量的调节。
3、变频技术在锅炉风机中的应用方案
某集团对3#锅炉鼓风机（11kW）、引风机（55kW）进行了变频技术改造，根据风机的特性，风机的流量变化，与转速成正比；而功率变化，则与转速变化立方成正比。因此，当风机转速降低时，风量减少，电机功率则成立方比下降。所以采用调速方式运行设备，可以大量节约电能。
3.1风机调节输出风量的方法
（1）风机运行曲线
图2中曲线（1）（A和B之间的线）为风机在恒定转速n0下的风压-风量特性；曲线（2）为管网阻力特性。假设风机在A点效率最高，此时风压为H2，风量为Q2，轴功率为H2、Q2的乘积，用图2中面积AH2OQ2表示；如果风量从Q2减少到Q1，管网阻力特性变到曲线（3），原先工况点由A变到新的B点运行，风压增加，轴功率用图2中面积BH3OQ1表示，轴功率下降不大；如采用变频调速，风机转速由n0降到n′，画出在转速n′下风压-风量特性曲线（4）（过C点的线），在同样风量Q1的情况下，风压H1大幅度降低，轴功率也随之显著减少，用面积CH1OQ1表示，节省功率用面积BH3H1C表示，节能效果十分可观。
（2）通过改变风机叶片的角度，来实现对风机的风量调节。当风机管网性能曲线不变时，通过改变风机叶片的角度，使风机的特性曲线（H-Q曲线）改变。在调低流量的同时，风机内部压力也随之下降，具有很好的节电效果。但是这种方法使风机叶轮结构复杂，调节机构磨损较大。同时，调节叶片角度必须停机进行，无法用在需要风机连续运行、连续调节的场合。
（3）通过改变风机的转速，来实现对风机的风量调节。在风机的管网特性不变，改变风机的转速，使风机的特性曲线（H-Q曲线）平行移动，达到调节风量的目的。如图3所示。当风机转速降低，流量降低的同时，风机的压力也同时随之降低，这样，具有极好的节电效果。这种方法不必对风机本身进行改造，转速由外部调节，风机档板可处于全开位置保持不变，并能实现无级线性调节风量。
（4）转速与采用挡板调节流量消耗功率的差值，在调节相同风量时，其运行对比前图可见，在额定风量时，两种调节方式的消耗轴功率是相同的；在不同风量时，转速调节是所有调节中消耗轴功率最少的一种。
3.2转速的调节的实现
（1）改变转差率，在低速时转差率大，转差损耗大，效率很低。（2）变极调速（即改变磁极对数），不能获得无级调速和实现自动调节。（3）变频调速，通过改变供电频率实现调速，在调速过程中从高速到低速，都可以保持有较小的转差率，可实现无级调速、自动控制、具有较好的调速性能。变频调速是异步电动机比较理想的调速方法。近年来，变频器可靠性不断提高，价格不断下降。由此。我们确定了对锅炉风机实施变频调速改造的方案。
4、改造后的效果
经过考察选用了变频设备（型号：ACS550，ACS401），根据炉膛负压、蒸汽压力、温度等信号调整风机转速，达到调节风量的目的。未进行变频改造前，电机不能调速，风量是通过调整风阀的开启度调节风量的大小，既不方便又浪费能源。根据需求我们对3#锅炉进行了改造，通过頻率调整改变电机的转速，达到调节风量的目的。3#炉引风机变频技术改造后，通过正确的调整供电频率，用电量有明显下降。该项目以后每年可为总公司增加数万元的净利润，进一步提高了企业的经济效益。
5、结语
综上所述，将变频技术运用于锅炉风机控制，改善风机运行过程中的能源浪费情况，提高能源利用率，大大降低能源成本。在实际的应用过程中，要结合锅炉工作的实际情况进行有针对性的应用，确保变频技术的有效利用。
参考文献：
[1]变频调速在锅炉风机的应用及节能效果分析[J].梁文标.科技与创新.2014（13）.
[2]工业锅炉风机变频技术节能改造案例[J].郑文贤，刘宇清，郑佩根，廖发业.节能.2016（07）.
[3]变频技术在火电厂的泵与风机中的应用[J].程丽娟，程丽娟.电子世界.2017（20）.
[4]风机设备的变频技术及应用[J].佟长青.企业导报.2015（15）.
[5]污水处理风机节能改造中变频技术的应用[J].吴劲.内江科技.2017（08）.
（作者单位：山西平朔煤矸石发电有限责任公司）
关键词：变频技术；锅炉风机；应用
1、变频调速节能原理
1.1变频器控制风机电机流程
在实际工作中，风机的工作电压根据变频器的输入端子进行科学合理的设定，变频器由预编程序进行控制，通过对压力信号进行实时的监测，再根据监测结果，输出对应的控制信号。控制信号通过对输入电源的频率进行有效控制，进而对风机转速进行有效的调节，从而对炉膛风压进行科学合理的调节，设置在炉膛内部的传感器能够实时对其内部的风压进行有效的监控，再将风压信号进一步传递给变频器，进而能够对风机进行科学合理的自动控制。
1.2电动机转速与电源频率的关系
根据电磁感应原理得知，电动机转速与电源频率之间的关系为
式中：n为转速；f为频率；p为电动机极对数。当风机转速改变，而其它条件不变时，性能参数有如下关系：
式中：Q0为风机额定流量；Q′为改变后的风机流量；H0为风机额定风压；H′为改变后风机风压；N0为风机额定轴功率；N′为改变后风机轴功率；n0为电动机恒定转速；n′为改变后的电动机转速；K为比例系数。通过式（2）可看出，流量与转速成正比，风压与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。当频率降低时，其电动机转速降低，而相应流量、风压和轴功率也降低，反之将增加。
2、鼓风机、引风机变频控制原理
（1）锅炉运行中，鼓风机需要连续不间断的工作，为炉膛燃料的充分燃烧提供充足的氧气，确保燃料得以充分利用。鼓风机的控制回路根据锅炉炉膛内部的实际温度进行针对性调节，确保炉膛内部温度始终处于合理范围，避免温度过高或过低，对锅炉的运行造成不利影响。炉膛内部温度发生变化后，感应器能够进行有效的检测，通过变送器将温度信号转化为电信号，再经过PID控制算法处理后输入变频器，变频器根据信号输出不同的电压和频率，实现鼓风机电机变频控制。（2）锅炉运行过程中，会产生大量的烟气，排烟风量过大，会导致排烟温度过高，造成不必要的能量浪费；排烟风量过小，烟气的大量聚集，使空气无法进入，导致锅炉效率的降低。通过感应装置实时监测炉膛内的负压值，再经变送器将信号传输至变频器，借助PID对工作参数进行调整，实现引风量的调节。
3、变频技术在锅炉风机中的应用方案
某集团对3#锅炉鼓风机（11kW）、引风机（55kW）进行了变频技术改造，根据风机的特性，风机的流量变化，与转速成正比；而功率变化，则与转速变化立方成正比。因此，当风机转速降低时，风量减少，电机功率则成立方比下降。所以采用调速方式运行设备，可以大量节约电能。
3.1风机调节输出风量的方法
（1）风机运行曲线
图2中曲线（1）（A和B之间的线）为风机在恒定转速n0下的风压-风量特性；曲线（2）为管网阻力特性。假设风机在A点效率最高，此时风压为H2，风量为Q2，轴功率为H2、Q2的乘积，用图2中面积AH2OQ2表示；如果风量从Q2减少到Q1，管网阻力特性变到曲线（3），原先工况点由A变到新的B点运行，风压增加，轴功率用图2中面积BH3OQ1表示，轴功率下降不大；如采用变频调速，风机转速由n0降到n′，画出在转速n′下风压-风量特性曲线（4）（过C点的线），在同样风量Q1的情况下，风压H1大幅度降低，轴功率也随之显著减少，用面积CH1OQ1表示，节省功率用面积BH3H1C表示，节能效果十分可观。
（2）通过改变风机叶片的角度，来实现对风机的风量调节。当风机管网性能曲线不变时，通过改变风机叶片的角度，使风机的特性曲线（H-Q曲线）改变。在调低流量的同时，风机内部压力也随之下降，具有很好的节电效果。但是这种方法使风机叶轮结构复杂，调节机构磨损较大。同时，调节叶片角度必须停机进行，无法用在需要风机连续运行、连续调节的场合。
（3）通过改变风机的转速，来实现对风机的风量调节。在风机的管网特性不变，改变风机的转速，使风机的特性曲线（H-Q曲线）平行移动，达到调节风量的目的。如图3所示。当风机转速降低，流量降低的同时，风机的压力也同时随之降低，这样，具有极好的节电效果。这种方法不必对风机本身进行改造，转速由外部调节，风机档板可处于全开位置保持不变，并能实现无级线性调节风量。
（4）转速与采用挡板调节流量消耗功率的差值，在调节相同风量时，其运行对比前图可见，在额定风量时，两种调节方式的消耗轴功率是相同的；在不同风量时，转速调节是所有调节中消耗轴功率最少的一种。
3.2转速的调节的实现
（1）改变转差率，在低速时转差率大，转差损耗大，效率很低。（2）变极调速（即改变磁极对数），不能获得无级调速和实现自动调节。（3）变频调速，通过改变供电频率实现调速，在调速过程中从高速到低速，都可以保持有较小的转差率，可实现无级调速、自动控制、具有较好的调速性能。变频调速是异步电动机比较理想的调速方法。近年来，变频器可靠性不断提高，价格不断下降。由此。我们确定了对锅炉风机实施变频调速改造的方案。
4、改造后的效果
经过考察选用了变频设备（型号：ACS550，ACS401），根据炉膛负压、蒸汽压力、温度等信号调整风机转速，达到调节风量的目的。未进行变频改造前，电机不能调速，风量是通过调整风阀的开启度调节风量的大小，既不方便又浪费能源。根据需求我们对3#锅炉进行了改造，通过頻率调整改变电机的转速，达到调节风量的目的。3#炉引风机变频技术改造后，通过正确的调整供电频率，用电量有明显下降。该项目以后每年可为总公司增加数万元的净利润，进一步提高了企业的经济效益。
5、结语
综上所述，将变频技术运用于锅炉风机控制，改善风机运行过程中的能源浪费情况，提高能源利用率，大大降低能源成本。在实际的应用过程中，要结合锅炉工作的实际情况进行有针对性的应用，确保变频技术的有效利用。
参考文献：
[1]变频调速在锅炉风机的应用及节能效果分析[J].梁文标.科技与创新.2014（13）.
[2]工业锅炉风机变频技术节能改造案例[J].郑文贤，刘宇清，郑佩根，廖发业.节能.2016（07）.
[3]变频技术在火电厂的泵与风机中的应用[J].程丽娟，程丽娟.电子世界.2017（20）.
[4]风机设备的变频技术及应用[J].佟长青.企业导报.2015（15）.
[5]污水处理风机节能改造中变频技术的应用[J].吴劲.内江科技.2017（08）.
（作者单位：山西平朔煤矸石发电有限责任公司）