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廠房降溫風機變頻調速裝置在煤氣鼓風機系統中的應用蓄能空調工程
敘詞：可遍程序控制器變頻調速節能鼓風工程
1引言
在電氣拖動設備的運行過程中，經常遇到這樣的問題，即拖動設備的負荷變化較大，而動力源電機的轉速卻不變，也就是說輸出功率的變化不能隨負荷的變化而變化。在實際中這種“大馬拉小車”的現象較為普遍，浪費能源。在許多生產過程中采用變頻調速實現電動機的變速運行，不僅可以滿足生產的需要，而且還能降低電能消耗，延長設備的使用壽命。這里介紹的煤氣鼓風機工程采用變頻調，并應用PLC構成風壓閉環自動控工程，實現了電機負荷的變化變速運行自動調節風量，即滿足了生產需要，又達到了節能降耗的目的。
2工況分析
鼓風機工程構成如下。
（1）風機型號：9-26，風量：8588~10735m3/h，風壓：10020~9630Pa。
（2）電機型號：Y225M-2，功率：45kW，電壓：380V，電流：83.9A，頻率：50Hz，功率因數：0.89，效率：2970r/min。
鼓風機的特性曲線如圖1所示。
@gas_1.jpg
通過對鼓風機幾年來的恒速運動實際情況的記錄分析，鼓風機工程運行規律如下：最大負荷時的風量為1600m3/h，電機的電流為38A，運行時間1個月；一般負荷的風量為950m3/h，電機的電流為36A，運行時間9個月；最低負荷時的風量為500m3/h，電機的電流為18A，運行時間2個月。由此可以看出，對于該鼓風機來說，最大負荷也不到額定負荷的一半，當風量下降時，用調節管道風門的方法來改變風道阻力，使功率下降不多，耗能仍很大，這由圖1可以看出。
圖1中曲線1為風機在恒速下調節風門時的風壓-風量（H-Q）特性，曲線2為恒速下調節風門時的功率-風量（P-Q）特性，曲線3為管網風阻（R-Q）特性。假設風機在設計時工作在A點效率最高，輸出風量Q1100%。此時，軸功率P1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比（AH1OQ1為耗能），根據生產工藝要求，當風量需從Q1減少到Q2（例如50%風量）時，如采用調節風門的方法調整風量，相當于增加了管網阻力，使管網阻力特性由曲線3變到曲線4，工程由原來的工況點A變到新的工況點B運行，盡管此時風量由Q1減小到Q2，但風壓反而由H1增加到H2，軸功率P2與Q2、H2的乘積面積BH2OQ2成正比，功率的減少并不多，可見耗能仍然很大。
采用電氣傳動調速裝置來調節風機電動機的轉速是實現經濟地調節風量、有效節能的最佳方法。我們選用變頻調速裝置對原煤氣鼓風機工程進行了改造，將電機恒速運行改為按負荷變化的變速運行，得到風機合適的功率輸出，達到了節能降耗的目的。
3風機變頻調速節能原理
交流異步電動機的轉速公式為
n=60f/p(1-s)（1）
由式（1）可以看出，電源頻率f與轉速n成正比。即改變頻率可改變電機的轉速。當改變風機的轉速，由額定轉速n1調整到某一轉速n2時，理論上風量、風壓及軸功率變化的關系如下：Q2=Q1(n2/n1)，H2=H1(n2/n1)2，P2=P1(n2/n1)3�？梢�，風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比。由圖1可以看出當風機轉速由n1降到n2，根據風機參數的比例定律，在轉速n2下的風壓-風量特性如曲線5所示�？梢�，在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率P3（相當于面積CH3OQ2）明顯減小，節省的功率損耗DP=P1-P2與面積BH2H3C成正比，節能效果十分明顯。所以，采用改變風機轉速的方法對風量和風壓進行控制是最合理和經濟的。
4工程構成
對原有煤氣鼓風機加裝變頻調速裝置，并且在鼓風機工程出口的管道上安裝壓力變送器，測定管道的風量變化，通過PLC對管道壓力信號的變換和處理，為變頻調速裝置提供參變量，實現對頻率的自動調整，也就是說對電機的轉速進行調整，以達到根據負荷變化調整輸出功率，節能降耗的目的。
經過比較，我們選用日本富士變頻器FRN45P9S-4，德國西門子公司可編程序控制器S7-200，組成風壓變頻調速自動控制裝置，對原鼓風機工程進行改造。
4.1硬件組成
工程構成框圖如圖2所示。
@gas_2.jpg
各部分主要功能分述如下
（1）操作臺。實現工程操作控制及參數的設定與顯示。
（2）可編程序控制器。選用S7-200可編程序控制器及EM235模擬量I/O模塊，完成風壓信號和操作信號可輸入以及PLC的控制輸出。
（3）變頻器。選用FRN45P9S-4變頻器，具有手動和自動調速功能。
（4）切換裝置。由繼電器、接觸器，開關等組成，實現1臺變頻器控制3臺鼓風機的切換，以及在變頻器故障時鼓風機的旁路工頻運行。
（5）壓力變送器。選用CECY型電容器式變送器，測定管道的風量變化。
4.2軟件框圖
PLC軟件采用梯形圖語言，實現各種邏輯順序控制，風壓閉環控制等，程序框圖如圖3所示。
@gas_3.jpg
在軟件設計中利用PLC定時中斷功能完成數據采樣，數字濾波，PID運算及控制輸出。
5運行結果
變頻調速裝置安裝投入運行后，風門全部打開，在壓力為2200Pa，風量為600m3/h，即可滿足生產要求。此時測得的工程參數如下：變頻器輸出頻率為25Hz，電壓為189V，電流為20V；電機轉速為1485r/min。實際運行工況在以下幾個方面有了明顯改善：?噪聲由80dB降為40dB左右；?風量（壓力）控制自動化，降低勞動強度，故障率降低；?運行參數觀測直觀，可同時顯示壓力、頻率、轉速、電壓、電流、轉矩等運行參數；?管道閥門全部打開，節門損失大大降低。
6節約電能計算
采用變頻調速前全年總耗能為1.511×105kW·h，變頻調速后全年總耗能為4.53×104kW·h。采用變頻調速后全年節約電能為10.58×104kW·h。
另外在投運變頻調速裝置后，根據運行工況測算，可延長修周期1～2年，每年可節約大修費用約2萬元。
7結論
實踐證明，在煤氣鼓風機工程中采用變頻調速運行方式，可以根據負荷的變化自動調節風機的轉速，解決了“大馬拉小車”的問題，為降低生產成本，延長設備使用壽命，節能降耗，減輕勞動強度，改善工作環境開創了新的途徑。
摘要：蓄能空調工程的應用與電力工程的政策是密不可分的，主要原因就是蓄能工程具有巨大的社會效益。蓄能工程能夠轉移電力高峰用電量，平衡電網峰谷差，因此可以減少新建電廠投資，提高現有發電設備和輸變電設備的使用率，同時，可以減少能源使用（特別是對于火力發電）引起的環境污染，充分利用有限的不可再生資源，有利于生態平衡。
關鍵詞：蓄能 空調工程 特點
1 社會效益
蓄能空調工程的應用與電力工程的政策是密不可分的，主要原因就是蓄能工程具有巨大的社會效益。蓄能工程能夠轉移電力高峰用電量，平衡電網峰谷差，因此可以減少新建電廠投資，提高現有發電設備和輸變電設備的使用率，同時，可以減少能源使用（特別是對于火力發電）引起的環境污染，充分利用有限的不可再生資源，有利于生態平衡。
電網的峰谷差是現代電網的一大特點，而且隨著經濟發展有加劇的趨勢。隨著我國國民經濟的不斷發展，雖然國家電力部門耗用大量的財力物力建設電廠，但仍然滿足不了每年用電量以5－7%增長的需要。特別是近年來隨著城市化進程的不斷發展，城市建筑能耗呈現加速增長的趨勢。據統計，國內部分大城市的高峰用電量中空調用電就占了30%以上，這樣使得電力工程峰谷差急劇增加，電網負荷率明顯下降，這極大影響了發電的成本和電網的安全運行。
由于電能本身不易儲存，因此通常在電用戶方面考慮辦法�？照{用電在電網中，特別是民用電中的比例越來越大。據統計，一般寫字樓空調用電占1/3多一些，而商場建筑中空調用電占50~60%，從空調用電入手解決電網峰谷差問題無疑是最有效的，而且蓄能空調包括蓄冷（冰或水）和蓄熱（供暖和生活熱水）等應用面相當寬，同時空調用能一般具有如下特點，也非常適合蓄能使用：首先，大多數空調與供暖工程可以間歇使用，如上班時供應、下班時關閉，使工程本身有可能利用原有設備在間歇期（夜間電力低谷期）進行能量蓄存，為第二天空調運行供能或補充。第二，空調用能多為7/12℃冷水或40/50~50/60℃熱水，屬于低品位能量，而電能是高品位能源，可以轉化為任意低品位的能源，而且利用制冷機或熱泵的工作，每使用1kW電能可以獲得3~6kW的熱能，電能轉化利用率非常高，而且蓄存使用也比較方便。
移峰填谷和節約用電，統稱為用電需求側管理，英文縮寫為DSM。美國在70年代開始用電需求側管理工作，在三十年時間里，政府陸續出臺了鼓勵用電需求側管理項目的一系列優惠政策，包括直接提供經費、提供各種低息或無息貸款、鼓勵各行業投資此類項目并給予電價政策回收投資、提供購買蓄能節能設備的價格折扣等。在亞洲，泰國、菲律賓、斯里蘭卡等發展中國家都開展了需求側管理工作，也收到了巨大的社會效益和經濟效益。在國外，工廠車間、辦公樓、商場、醫院、學校甚至居民住宅等建筑物都可以看到蓄能技術的應用，使用范圍非常廣闊，可以說前途光明。
我國電力行業的技術裝備和管理水平經過多年的努力，已經躍上了一個新的臺階，電網建設和改造也取得了重大進展。但是，電網負荷率低、峰谷差大的特點使電力供應仍很緊張。例如華北電網的最大峰谷差別達到最大負荷的40%，而1999年電網負荷率在95%以上的只有12天，而實際每天達到最高負荷的僅持續1~2小時。國家計委、國家經貿委協同國家電力公司歷經數次研究，先后出臺了一系列指令性或指導性的計劃下達至各地方經委和電力公司，要以經濟手段推動電力“削峰填谷”的實現。目前絕大多數地方電力公司均推出了峰谷分時電價政策，特別是制訂了針對蓄能空調技術推廣使用的各種優惠政策，為蓄能空調的廣泛推廣帶來了契機。
2 用戶收益
蓄能工程在帶來巨大的社會效益的同時，也具有良好的經濟效益，如推遲或減少發電裝機容量，減少環境污染治理費用，減少電網調峰次數、降低發電成本等。對用戶來說，實實在在的經濟效益和運行管理的優點主要體現在以下方面：
首先，利用分時電價政策，可以大幅節省運行費用。就象炒股票一樣，蓄能工程的用電策略也是“高拋低吸”，即在電價高時少用或不用電，把蓄存的能量釋放出來使用，而在電價低時多用電，把制得的冷或熱量儲存起來。一般情況下，峰谷時段的電價比可達3:1或4:1，因此每年節省的運行電費是相當可觀的。
其次，可以減少制冷主機裝機容量和功率達30~50%，相應地，減少冷卻塔和水泵等的裝機容量和功率。由于在空調負荷高峰時，可以依靠融冰來供冷，因此主機的裝機制冷容量可以減少，而不必象常規空調工程那樣按高峰負荷配備設備。相應地，設備滿負荷運行比例增大，可充分提高設備利用率，而且設備運行效率也較高。
第三，減少一次電力初投資費用。由于制冷工程設備裝機功率下降，電貼費、變壓器和高低壓配電柜等費用均可減少。另外，由于電力工程的優惠政策，蓄能工程可以爭取到電貼費減免的額外優惠。
另外，蓄冷工程可作為應急冷源，停電時可利用自備電力啟動水泵融冰供冷；蓄熱工程減少了粉塵煙塵的污染，減少或免除了消防措施等。因此，蓄能工程在運行管理上具有更大的靈活性和更廣的適應性。
以某地建筑面積22000m2的辦公大樓為例，夏天設計日空調的尖峰負荷2616kW，空調使用時間為8:00~18:00，年使用時間為135天，冰蓄冷空調與常規電制冷空調工程的經濟性分析如表1所示。
表1 冰蓄冷空調工程與常規電制冷空調工程經濟分析表
序號名稱 冰蓄冷空調工程 常規電制冷空調工程規格電功率(kW)價格 (萬元)規格電功率 (kW)價格 (萬元)1螺桿式冷水機組810kW2x1602x65870kW3x1753x702制冷輔助設備冰蓄冷專用設備441604配電設施53243 初投資費用總計 398萬元 344萬元 年運行電費 30.6萬元 49.3萬元可以看出，冰蓄冷空調工程比常規電制冷空調工程初投資增加16%，而年運行費用減少38%，初投資增加費用的投資回收周期約為3年。因此，冰蓄冷空調工程具有良好的推廣意義。
3 工程設計
蓄能工程的方案設計需要依據當地電力政策、建筑物實際使用情況和蓄能設備的性能進行工程形式和設備容量的優化設計。一般情況下，商業、民用和工業建筑用空調均為非全日空調，即每天空調工程只需運行10~14小時，而且幾乎都在非滿負荷下工作。下圖中A部分為某建筑典型設計日空調冷負荷：
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