變頻調(diào)速在海上平臺風(fēng)機節(jié)能降噪中的應(yīng)用

鄒 菁，張海榮

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

我國大量使用的軸流風(fēng)機普遍存在著效率低、噪聲高的缺點。目前經(jīng)常采用加裝消聲器來降低噪聲；這不僅增加了投資成本而且在風(fēng)機整個運行中由于消聲器的壓力損失而造成能源損耗，這對節(jié)約能源很不利[1]；尤其海洋石油平臺，電力來源單一且稀缺，且平臺空間有限另外增加降噪設(shè)備顯然不現(xiàn)實。因而從風(fēng)機本身出發(fā)進行節(jié)能降噪才是最有效的途徑。實踐表明，風(fēng)機采用變頻調(diào)速技術(shù)進行控制，不但運行管理方便，而且有利于節(jié)能降噪[2]。

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動的一個發(fā)展方向[3]。變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)速精確、調(diào)速范圍廣泛，而且變頻技術(shù)在節(jié)電節(jié)能方面的優(yōu)勢是其他交流調(diào)速所無法實現(xiàn)的[4]。所以，將固頻控制電機驅(qū)動的風(fēng)機改為變頻器控制，既保持了原電機結(jié)構(gòu)簡單，可靠耐用，又能達到節(jié)能降噪的顯著，是電驅(qū)動風(fēng)機調(diào)速節(jié)能的理想方法[3]。

1 變頻調(diào)速技術(shù)及節(jié)能原理

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速實現(xiàn)的主要設(shè)備就是變頻器。變頻器（Variablefrequency Drive，VFD）的作用是將交流電源的固定頻率和電壓轉(zhuǎn)換為一個可變的頻率和電壓以便驅(qū)動電機。電機的轉(zhuǎn)速將隨頻率的改變而線性變化。為了對電機轉(zhuǎn)矩進行精確控制，在電機的整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持電壓與頻率比的恒定十分重要，即要使V/f正比于Φ（常數(shù)），其中，V為電機轉(zhuǎn)速，f為電機頻率，Φ為電機磁通量[5]。

變頻器通過改變電機頻率而達到無級調(diào)速的目的。頻率能夠在電機的外面調(diào)節(jié)后再供給電機，這樣電機的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是作為電機調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備[6]。因此通過變頻器改變電機頻率可以實現(xiàn)改變電機轉(zhuǎn)速的目的。

1.2 變頻調(diào)速節(jié)能原理

根據(jù)流體機械的公式有：Q2=Q1（n2/n1），H2=H1（n2/n1）2，P2=P1（n2/n1）3，即泵或風(fēng)機流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低時，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需風(fēng)量下降80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，而軸功率降為51%；當(dāng)所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的50%時，而軸功率降為13%[7]。

變頻器的變頻調(diào)速是通過調(diào)節(jié)頻率實現(xiàn)的，因此變頻調(diào)速是風(fēng)機節(jié)能的最佳方案。當(dāng)工頻情況下的頻率是50 Hz，如果使用的頻率是40 Hz，也就是頻率下降至0.8，則電機轉(zhuǎn)速下降至原額定轉(zhuǎn)速的0.8，下降的幅度與頻率下降的幅度成一次方程式關(guān)系，也就是線性關(guān)系，而且風(fēng)機的風(fēng)量下降也為額定風(fēng)量的0.8。但風(fēng)機的風(fēng)壓下降比例則變化大了，成二次方比例下降，即風(fēng)壓下降為0.8×0.8=0.64，風(fēng)壓會變?yōu)轭~定風(fēng)壓的0.64，下降了36%。至于輸出功率，則成三次方比例關(guān)系即0.8×0.8×0.8=0.512，功率下降了48.8%，風(fēng)量僅下降了20%，顯然通過降低風(fēng)機運行頻率，節(jié)能效果非常明顯，節(jié)能原理如圖1所示[3]，其中，n1為風(fēng)機在額定轉(zhuǎn)速運行時的特性曲線，n2為風(fēng)機降速運行在n2轉(zhuǎn)速時的特性曲線，R1為風(fēng)機管路阻力最小時的阻力特性曲線，R2為風(fēng)機管路阻力增大到某一數(shù)組時的阻力特性曲線。

圖1曲線原理說明，假設(shè)有風(fēng)機正按特性曲線R1運行，此刻其工況點為A，流量和壓力分別為Q1和Pl，此時風(fēng)機所需的功率就等于APlOQ1所圍成的四邊形的面積。由于運行工況需要，將這臺風(fēng)機的風(fēng)量從Q1減少到Q2時，如果通過減小風(fēng)機風(fēng)門的開度，則風(fēng)道運行管網(wǎng)管道阻力會增加，這將導(dǎo)致風(fēng)機的工況點移到特性曲線R2上的B點位置。由圖可知，風(fēng)機雖然實現(xiàn)了風(fēng)量下降，風(fēng)壓卻增大到P2位置，此時風(fēng)機所需的功率等于BP2OQ2所圍成四邊形的面積。由圖1可知，風(fēng)機所需的功率有所增加。這種運行方式雖然容易實現(xiàn)降低風(fēng)量但卻不節(jié)能。如果運用變頻調(diào)速技術(shù)，將該臺風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速由n1下降至n2，同時保持風(fēng)門開度不變，此時風(fēng)機的運行工況點將由A點移到C點，流量保持Q2不變，由圖可知此時風(fēng)壓由Pl下降至P3，此時風(fēng)機所需的功率就等于CP3OQ2的所圍成四邊形的面積，顯然風(fēng)機按照此種方式運行，節(jié)能效果非常明顯。

2 變頻調(diào)速降噪原理

海洋石油平臺風(fēng)機噪聲，包括機械噪聲（風(fēng)機本體、電機，軸承振動等的噪聲）和空氣動力性噪聲。其中以空氣動力性噪聲為主，其聲壓通常高于機械噪聲10 dB以上，它通過通風(fēng)機的進出口向周圍空氣傳播[8]。

圖1 風(fēng)機風(fēng)壓——風(fēng)量特性曲線

風(fēng)機的空氣動力噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲等2部分組成。研究表明，風(fēng)機的這兩類噪聲中，旋轉(zhuǎn)噪聲與葉輪的圓周速度的10次方成比例，渦流噪聲與葉輪圓周速度的6次方（或5次方）成比例。可見，在風(fēng)機直徑一定的情況下，葉輪的轉(zhuǎn)速是影響軸流風(fēng)扇噪聲的重要因素，即就是轉(zhuǎn)速越高噪聲越大[9]。

因此，通過變頻調(diào)速器在不影響使用效果條件下適當(dāng)降低通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，便成為海洋石油平臺風(fēng)機降噪的重要方法。

3 變頻調(diào)速節(jié)能降噪改造應(yīng)用實例

3.1 改造前存在的問題

某平臺變壓器間共有2組6臺7.5 kW軸流風(fēng)機，3臺進風(fēng)機3臺出風(fēng)機，工作模式為4用2備，功率為30 kW，保證變壓器間通風(fēng)換氣。但變壓器間上方為員工生活區(qū)和辦公區(qū)，風(fēng)機在運轉(zhuǎn)中會產(chǎn)生的噪聲在啟動4臺風(fēng)機時，該區(qū)域噪聲為75 dB（關(guān)門），超過平臺生活樓居住環(huán)境對噪聲控制最低要求。

同時，這6臺風(fēng)機采用異步電機直接驅(qū)動，此種方式存在著一定的缺陷和問題，例如電氣保護的特性較差、所啟動的電流過大、產(chǎn)生機械沖擊，同時由于風(fēng)機沒有較高的運行效率從而造成很大程度的電能浪費情況等諸多缺陷。

3.2 制定改造方案

如前所述，風(fēng)機的電機采用變頻調(diào)速控制，不僅節(jié)省電能而且可以降低噪聲，同時風(fēng)機運行的安全穩(wěn)定性得到提高。因此，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，保留風(fēng)機的驅(qū)動電機，將原電機由固頻改為變頻控制，僅需在原設(shè)備基礎(chǔ)上增加變頻柜和變頻器即可?？紤]到整體投資及系統(tǒng)的先進性和可靠性，對風(fēng)機控制系統(tǒng)的改造采用施耐德交流變頻器ATV61為核心的控制系統(tǒng)，變頻柜采用該平臺淘汰下來的廢舊控制柜即可完成改造。

3.3 改造后效果

某平臺變壓器間風(fēng)機增加變頻控制系統(tǒng)后經(jīng)過6個月的生產(chǎn)運行，此次改造各項指標(biāo)完全達到節(jié)能降噪改造要求。

3.3.1 降低噪聲效果

某平臺變壓器間風(fēng)機在采用40 Hz運行后，變壓間通風(fēng)散熱的效果與采用工頻50 Hz散熱效果基本相同，生活樓噪聲卻降低到50 dB，達到員工生活區(qū)和辦公區(qū)噪聲不超過55 dB的標(biāo)準(zhǔn)要求，這對改善員工休息和工作環(huán)境具有極大的效益。

3.3.2 節(jié)能降耗效果

某平臺變壓間風(fēng)機按照4用2備工作模式，風(fēng)機采用40 Hz頻率運行后，相比工頻50 Hz運行功率減少14.6 kW，每年節(jié)能電能12.8萬kW·h；這對海洋平臺環(huán)境稀缺的電源資源將非常有益處。

3.3.3 有利于風(fēng)機的維護保養(yǎng)

變頻調(diào)速器投用后，啟動風(fēng)機時轉(zhuǎn)速由零逐漸增大，消除了以前電機直接啟動時風(fēng)機內(nèi)壓力驟增，造成對風(fēng)機葉輪的沖擊。這對延長風(fēng)機使用壽命，減少工人維護的勞動強度開創(chuàng)了新的途徑。

4 結(jié)論

變頻調(diào)速技術(shù)在某海上平臺風(fēng)機節(jié)能降噪改造的應(yīng)用非常成功，既降低了裝置的電能消耗，又降低了員工生活和工作場所的噪聲，減少了風(fēng)機維護的工作量。