燃氣鍋爐節能改造

寧守慶

作者通聯：河南中煙工業有限責任公司鄭州卷煙廠動能車間 鄭州市管城區隴海東路72號 450000

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一、概述

河南中煙鄭州卷煙廠目前有4臺20t/h全自動燃氣鍋爐（表1），壓力變感器將鍋爐蒸汽壓力轉化為電信號（0～10V）后送入比調儀，比調儀調節燃氣調節閥開度、配風等參數實現控制要求。鍋爐蒸汽壓力檢測值同設定值經過比較，其偏差信號輸入控制器，控制器經過PID運算后控制鼓風機風門（擋板）開度。為保持鍋爐蒸汽壓力穩定，系統引入蒸汽流量作為前反饋信號，調節天然氣調節閥和鼓風機風門開度。

PLC輸出信號給程序控制器，滿足啟動條件后程序控制器開始動作，動作過程是先檢漏→檢漏正?！仩t鼓風機Y—△啟動后一直保持工頻（50Hz）狀態運轉。同時鍋爐燃燒機的伺服執行器電機得電，伺服執行器逆時針旋轉，帶動鼓風機風門控制連桿將風門開到最大位置，鼓風機大風量進行吹掃。吹掃完畢，伺服執行器順時針旋轉將風門關到最小位置（點火位），開始點火，點火完成后再由比調儀控制大火、小火負荷，進入正常運行。

表1 全自動燃氣鍋爐主要配置

鍋爐房實際設計時很難準確計算管網阻力，而且考慮長期運行過程中可能發生的各種問題，因此通常將系統最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。威索公司設計鍋爐燃燒機時，設計風量配給富裕量較大，并且始終使鍋爐鼓風機處于滿負荷運行狀態，而天然氣燃燒時需要風量，主要依靠鼓風機風門開啟度與伺服執行器的天然氣控制調節閥進行配比調節。

由于鼓風機采用Y—△啟動，電機啟動電流為額定電流的4～7倍，不僅消耗電能，還會沖擊電網。而且生產過程中鍋爐蒸汽燃燒負荷（大火、中火、小火）經常波動，鍋爐鼓風機風門也在不斷變化，例如當鍋爐蒸汽壓力達到設定值時，鍋爐就會自動轉成小火燃燒，鼓風機風門會關小，而鼓風機仍以1450r/min額定速度運行，這時就有大量空氣經過壓縮后直接沖擊鼓風機風門，產生噪聲最高達104dB（國家噪聲標準為85dB）。為此，開發鍋爐鼓風機變頻系統。

二、鍋爐鼓風機變頻系統

1.設計思路

將鼓風機電機定頻率運轉改為變頻運轉，實現減噪、節能的目的。去掉鍋爐鼓風機風門，利用傳動裝置將天然氣所需風量通過角度變送器的反饋信號傳至變頻器，由變頻器調節鍋爐鼓風機轉速。天然氣用量增加，變頻器輸出頻率提高，鼓風機轉速也隨之提高，從而增大進風量，滿足天然氣燃燒所需風量。

2.變頻系統數據采集

通過累積測量，得到鍋爐運行風壓及天然氣流量，以及燃燒全過程氣門開啟度與伺服執行器主軸轉過角度的關系圖（圖 1）。

根據威索燃燒機運行原理，伺服執行器主軸旋轉至40°時開始點火，旋轉至130°時鍋爐燃燒機天然氣閥門開啟為最大90°，達到最大負荷（大火燃燒）。進一步得到圖1b的極坐標展開圖（圖2），40°～90°區間內所包含的曲線即為研制的傳動裝置運行軌跡，通過計算該曲線相對于基點距離的比例關系，得到傳動裝置軌跡圖（圖3），由此制作出軌跡扇形輪。

3.鼓風機控制電路（圖4）

變頻器12#端子為變頻器內部輸出電源，提供24V電壓，27#端子為變頻器啟動控制端，當其獲得24V電源時變頻器進入運行狀態。因此，直接將12#、27#端子相連，即可實現在L1、L2、L3得電同時啟動變頻器，使變頻器和鍋爐其他控制系統同步運行。變頻器60#端子接收角度變送器反饋的4～20mA信號，根據變頻器安裝要求，39#端子（模擬/數字輸出地線）必須與55#端子（模擬電壓輸出地線）相連。

圖1

圖2

4.安裝制作

制作材料：①1個角度變送器（開度0°～90°，DC 24V/4 ～20mA）；②1個扇形輪（包括1個扇形鋼帶、5個軌道保持架）；③1根信號線（長度視距離而定）；④1個角度變送器托架；⑤1根連桿，一端連接到角度變送器的軸上，另一端安裝1個軸承，可在扇形鋼帶（漸開線軌跡）上滑動。

先去掉伺服執行器上的風機擋板連桿并且將風機擋板鎖定到最大位置不變，開度為100%，然后在伺服執行器上加裝扇形輪和角度變送器。伺服執行器得電將帶動扇形輪同步運行，由于連桿在扇形輪軌跡上作運動，因此帶動角度變送器運動，使角度變送器發生角度變化，角度變送器向變頻器60#端子輸入4～20mA信號，調節電機頻率。伺服執行器逆時針旋轉時，角度變送器輸出20mA信號，逆時針旋轉，角度變送器輸出4mA信號。

圖4

5.系統運行

風機變頻啟動后，伺服執行器逆時針旋轉，風機以大風量運行（50Hz）進行吹掃，吹掃完畢，伺服執行器又作順時針旋轉，變頻風機以小風量運行（10Hz）、風壓在1100Pa點火。點火完成后，根據負荷情況由比調儀、程序控制器、伺服執行器和變頻器共同完成控制鍋爐鼓風機電機頻率，配合天然氣調節閥完成大火、小火的燃燒負荷調節。

三、改造效果

改造過程簡單、安全、可靠，基本保留原有控制電路，只加裝扇形輪和角度變送器，電機回路只是將Y—△啟動改為變頻啟動。為檢測鍋爐燃燒運行過程中氧氣與天然氣的配比是否達到技術要求，使用Testo325xl型煙氣分析儀分析鍋爐排放到大氣中的煙氣（一氧化碳、二氧化碳、含氧量），各項指標均符合中華人民共和國鍋爐大氣污染物排放標準。4臺鍋爐每年可節約近百萬元電費，噪聲降低到85dB。此改造項目已獲國家知識產權局國家發明專利（專利號：200710054554.x）。

參考資料

1 楊公源.變頻器應用實例.電子工業部出版社，2006

2 楊詩成，王喜魁.泵與風機.中國電力出版社，2007

3 姜湘山.燃油燃氣鍋爐安裝與運行維護.機械工業出版社，2003