1 引言
风机是一种量大面广、耗电量极大的动力机械。我国每年风机的电能消耗占总消耗的10％以上，在电力、钢铁、煤炭、冶炼工业中，风机的耗电量往往占生产用电的20％以上。因此，对风机的节能研究具有十分重要的经济意义。
风机系统中流量的调节常采用改变挡板开度的方式，因而在挡板上产生了附加的压力损失。浪费了大量能源。采用变频调速技术改造风机系统，不仅可以节约能源，而且使系统运行更加合理可靠，这已成为广大工程技术人员的共识。但是，如何确定风机的调速比，使其运行在高效区，实现风机效率优化运行，文献报道极少。对于单台风机运行，问题较为简单;当多台风机并联或串联时，这实质上是一个非线性规划问题。
本文分析了风机系统的运行工况，根据管网特性分为两类系统，针对单台风机运行、多台并联运行分析了最佳控制策略，确定最佳调速比[3]。系统己在我电厂投入运行，取得了良好的经济、社会效益。
2 风机运行工况分析
2.1 风机特性
风机的p-q特性曲线(即压力—流量曲线)目前还不能用理论方法精确计算得出，而只能依靠实验方法[3]。根据实验数据，风机在额定转速n0下运行时，可按下述方程对其p-q特性进行拟合:
p＝px-sxq2 (1)
式中:px和sx为拟合参数。
对于具有驼峰的p-q特性曲线不符合上述方程。这种特性有可能使风机处于不稳定运行状态，并联运行时有可能出现喘振，选择风机时应避免，故本文不考虑该特性。
由风机的相似定理，当转速下调时，p-q曲线平行下移。若转速下调到n1，则p-q特性变为:
p＝kpx-sxq2 (2)
式中:k＝(n1/n0)2，为调速比。
根据η-q特性曲线，q过高或过低时，其效率η 将急剧下降，故应限制流量范围为[qmin，qmax];转速过低时。η也很低，故还应限制调速范围为[kmin，1]。`n这样可保证风机工作在高效区。如图1所示。
图1 p-q特性与η-q特性
当多台风机并联工作时，通过将各风机在相同压力下的流量相加，可得并联后的p-q特性;串联工作时，通过将各风机在相同流量下的压力相加，可得到串联后的p-q特性。
2.2 管路特性与系统分类
当风流过管路时，受到阻力摩擦而产生的压力损失可由下式的管网特性表示:
r=pst+sq2 (3)
式中，r为管网阻力; s为管网阻力系数; pst为系统的工作压力要求，即管网出口处压力高出风机引风口的压力值。
系统稳定运行时的，风机提供的压力与r平衡p-q曲线与管网特性曲线的交点为风机的稳定工作点。
风机系统根据pst可大致分为两种类型:一种是对压力无要求，根据负荷调节流量，如锅炉的风机矿井的通风等。二是保证压力恒定，流量由用户控制，如煤气输送等。
2.3 节能原理
对于第1类系统，常采用调节挡板开度的方式来调节流量，这种方式实质上利用改变管网特性来改变风机工作点，如图2所示。
图2 挡板调节与调速调节
原风机工作在a点，若通过调节挡板使流量降低为qb，则风机将工作在b点，可见此时风机产生的压力不但没有减小，反而增大了，多余的能量浪费在挡板上。若调节风机转速，改变p－q特性使工作点沿管网特性移动到c点，可恰好满足系统要求，使能量消耗大大减小。
对于第2类系统，常采用恒压调节方式。根据最不利条件下的流量qa和用户所需压力pst确定风机应提供的压力pa，选择见机参数使其工作在a点(pa，qa)。
在运行过程中，只检测出风机出口处压力p，并根据p进行调度，使风压恒定在pa。若流量由qa减小到qb，风机工作点将沿水平线p＝pa移动到c(pa，qb)点。风机此时应提供的压力为pb:
pb=pst+sqb2 (4)
故多提供了pa-pb，这部分能量将消耗在管网中，浪费了能源。
若同时根据流量q和用户所需压力pst进行调度，可解决上述问题。若流量由qa减小到qb，根据式(3)和检测到的流量qb，风机此时应提供的压力为pb。调度风机将工作在最佳工作点b点(pb，qb)，恰好满足用户需求。
可见，在这种调度过程中，风机工作点沿管网特性曲线移动，始终恰好满足用户需求且无能量浪费，节能效果最好，如图3所示。
图3 调度原则
所谓最节能的工作点，就是使风机的流量、压力恰好满足系统需要，使工作点沿管网特性移动，风机始终运行在p-q曲线和原管网特性的交点上。两类系统虽然要求不同，但早在调速策略上有很多相似之处。虽然第1类系统pst=0，但为了克服管网阻力r，风机仍要提供一定的压力p=r。因此，第1类系统可以看做是第2类系统pst=0时的特殊情况。
3 系统实现
本项目选用的simovert mv系列变频器为6kv/1600kva/12脉冲直接高进高出方案，即6kv进电，6kv出电，使用原有电机。
该变频器为三电平变频器，没有器件的均压问题，具有良好的低速特性，谐波分量小，动态性能好，可实现四象限运行。
变频装置具有工频旁路功能，用于变频与工频之间的切换;旁路刀闸容量满足工频要求，刀闸具有防误操作的机械闭锁功能，并带有电磁栓，以作为电气连锁的保护，防止误操作。变频器、断路器、刀闸和电缆的一次电路见图4。
图4 变频改造一次线路示意图
变频器的旁路柜具备“五防”功能，旁路刀闸、进线刀闸和出线刀闸及断路器之间具备以下闭锁:旁路刀闸与进线刀闸和出线刀闸机械连锁，旁路刀闸闭合时，进线刀闸和出线刀闸不能合;进线刀闸和出线刀闸闭合时，旁路刀闸不能合;断路器在闭合位置时，所有刀闸的电磁栓动作，并锁定刀闸，所有刀闸都不能操作。
4 应用情况和注意问题
原系统采用调整入口导向叶片的方式，调整送、吸风量，以保证锅炉炉膛负压、烟气氧量及相应的汽温和汽压的稳定。这种叶片的截流损耗特别大，采用变频技术后，不仅完全消除叶片的截流损耗，而且保证风机运行在高效区，平均节电率30%以上，节能效果显著。
在选择高压变频器时应当注意的问题:
(1) 可靠性及售后服务。这是关系到用户能否很好应用的关键。设备的可靠性(无故障率)如何，备件供应怎样，售后服务是否及时，现在国产变频器也日渐成熟，可以优先考虑。
(2) 价格。由于高压变频器目前还处于技术发展时期，还没有达到如低压变频器那样的技术成熟度，没有统一的拓扑结构。所以价格方面相差很大，应考虑到系统的投资情况。
(3) 主要技术指标。包括下袄率，功率因数，速度控制，转矩脉动，噪声，对电网的影响(谐波含量)，掉电再上电的能力，对电网电压波动的适应性，外型尺寸等主要技术指标应进行认真的综合比较。
供货期和厂家的信誉，也是选择时考虑。
5 结束语
针对风机系统分析了调速运行时的工况，表明应用了变频器以后能达到最大节能效果，系统投运后，运行稳定。应用变频器的“软启动”可减少启动的峰值功率损耗并减少启停过程对机构的冲击，延长使用寿命，同时减少中间环节的费用，完美的监控和可靠性措施提高了系统的工作效率。该系统有广阔的推广前景。
