變頻技術在鍋爐供暖系統改造中的應用

李克忠 岳 勇

鍋爐供熱系統是現代企業和民用采暖系統中的主要設備，除消耗煤炭外，電能的消耗非常大，約占總耗能的20%。供熱系統中耗電的設備主要是鼓、引風機和循環水泵等，而這些設備的容量是根據鍋爐最大熱負荷選定的，且留有一定的設計余量。在沒有調速的系統中，風機、水泵在工頻狀態下全速運行，容易形成“大馬拉小車”的現象，造成了能源的浪費。結合某工業園區鍋爐供熱系統的現狀，對其鼓、引風機系統和循環水泵系統進行改造。

1 鍋爐供熱系統簡介

鍋爐供熱系統一般由鍋爐及輔機系統、除塵系統、循環泵站、管網系統和用戶散熱器組成。

工作原理:在供熱系統注滿軟化水至要求壓力后，啟動循環水泵。啟爐，煤在鼓、引風機的輔助下，在爐膛中燃燒產生熱量，傳遞至上下鍋桶、水冷壁管、對流管中的水中，將常溫水加溫，通過循環水泵加壓經管網系統送至用戶散熱器，由空氣傳導熱量從而達到采暖的目的。散熱后的熱水經過管網的回水系統返回鍋爐中重新加熱。通過控制爐排行進速度、煤層厚度和鼓、引風的風量達到控制鍋爐熱負荷目的，從而實現控制熱水出口溫度。通過定壓泵控制系統回水壓力，達到控制系統壓力。通過調節循環水泵的出口閥門，達到控制循環水泵流量滿足供暖要求。燃燒產生的煙塵經過除塵系統后，達到環保排放。

2 原系統現狀分析及存在問題

某工業園區鍋爐供熱系統采用一臺南京鍋爐廠設計、制造的SZL14-1.25/130/70-AⅡ型鍋爐，鍋爐額定熱功率為14 MW，額定工作壓力為1.25 MPa，額定供水溫度為130℃，回水溫度為70℃，設計燃料為Ⅱ類煙。該鍋爐采用雙鍋筒縱向布置，燃燒設備采用輕型鏈帶式鏈條爐排，鍋爐整體布置采用組裝式，輕型爐墻。由于采用單系統循環，鍋爐實際供水溫度為70℃，回水溫度為40℃～50℃。它主要為園區建筑面積約20萬m2的工房、辦公樓、食堂和職工宿舍等建筑供暖。引風機1臺，全壓3 695 Pa～2 811 Pa，流量62 888 m2/h～92 540 m2/h，配用功率110 kW電動機，鼓風機1臺，全壓1 741 Pa～1 160 Pa，流量27 806 m2/h～53 340 m2/h，配用功率45 kW電動機。爐排電磁調速電機1臺，1.5 kW。循環泵3臺，兩用一備，流量400 m3/h，揚程50 m，配用功率75 kW電動機。定壓泵2臺，一用一備，流量400 m3/h，揚程50 m，配用功率7.5 kW電動機。供暖系統每年運行時間大致是當年11月1日～次年3月31日，24 h運行，平時以低負荷運行為主，12月下旬～次年2月上旬為采暖高峰期，系統必須以高負荷運行。鍋爐設計時鼓、引風機等輔機的容量必須根據鍋爐最大熱負荷選定，且留有10%～20%的設計余量。無論鍋爐運行在什么狀態，鼓、引風機是采用風門調節風量方式運行，在高負荷工況下，風機的風門開度僅為40%～50%，就足以滿足鍋爐對送、引風量的要求。在節流過程中，風機的特性曲線不變，轉速不變，僅僅依靠關小風門，人為增加管道阻力來減小風量。風門開度減小，阻力損失相應增加，但系統輸入功率并無減小。風機長期處于高速、大負載下運行，消耗電能大，維護工作量大，設備壽命低，并且運行現場噪聲大。循環泵也是根據鍋爐最大熱負荷選定的，也可以說是根據鍋爐可供額定采暖面積所需流量選定的，且留有10%～20%的設計余量。循環水泵工作在工頻狀態時，水泵的出口閥門(蝶閥)開度在30%狀態，水泵的電機電流剛好達到額定電流。閥門再開大一點，水泵的電機電流就超過了額定電流。所以，水泵的出口閥門(蝶閥)只能打開30%狀態，這時，水泵的流量并未達到額定流量，而揚程都被水泵的出口閥門所阻攔，能量被白白浪費掉了。而且鼓、引風機和循環泵均是Y—Δ啟動方式，電機的啟動電流是期額定電流的3倍～4倍，在這樣大的電流沖擊下，造成控制回路元器件的壽命減短，增加了運行費用，同時對電網也有一定的沖擊。

3 鍋爐供熱系統的變頻節能原理

我們知道風機、水泵類變轉矩負載特性滿足流體動力學關系理論，流量Q與轉速N的一次方成正比，風壓H與轉速N的平方成正比，軸功率P與轉速N的三次方成正比，即以下數學關系成立:N1/N2∝Q1/Q2，H1/H2∝(N1/N2)2，P1/P2∝(N1/N2)3。

由上式可知，當流量下降到80%時，轉速也下降到80%，而軸功率將下降到額定功率的51.2%，如果流量下降到60%，軸功率可下降到額定功率的21.6%。這為實施變頻節能技術改造提供了理論依據。綜上所述得出如下結論:改變風機、水泵的轉速就可以改變該設備的功率。例如:將供電頻率由50 Hz降為40 Hz，則 P40/P50=403/503=0.512，即 P40=0.512P50(P 為電機功率)。當然還需要考慮由于轉速降低引起的效率降低及附加控制裝置的效率影響等。即使這樣，這個節能數字也是很可觀的，因此，在裝有風機水泵的系統中，采用轉速控制方式來調節風量或流量，在節能上是個有效的方法。

4 節能改造方案

1)鍋爐系統改造方案是使用原有的操作臺和工頻起動柜，并新增引、鼓風機變頻起動柜，與原工頻起動柜互為備用、自由切換。工頻、變頻的切換通過交流接觸器實現。引風變頻調節除設置手動控制功能外，還設置自動控制功能，通過智能調節器對爐膛負壓進行自動控制，以提高鍋爐運行的安全性，見圖1，圖2。鼓風變頻調節只設置手動操作器。變頻器選用深圳英威騰CHF100系列產品;按鈕、指示燈、中間繼電器等選用施耐德產品;斷路器、接觸器、互感器、電流表等選用正泰產品;智能調節器、智能手操器選用廈門宇電產品;差壓變送器選用威爾泰公司(上海公司)產品，見圖3，圖4。

圖1 引風機主回路原理圖

圖2 引風機變頻控制二次回路原理圖

2)循環系統改造方案使用新增循環泵變頻起動柜，與原工頻起動柜互為備用、自由切換。工頻、變頻的切換通過交流接觸器實現。每臺水泵都是獨立的啟動、控制系統。變頻器選用深圳英威騰CHF100系列產品;按鈕、指示燈、中間繼電器等選用施耐德產品;斷路器、接觸器、互感器、電流表等選用正泰產品;智能調節器選用廈門宇電產品;壓力變送器選用威爾泰公司(上海公司)產品。循環泵主回路及變頻控制二次回路原理圖與引風機相同，就不再贅述。

圖3 鼓風機主回路原理圖

圖4 鼓風機變頻控制二次回路原理圖

5 改造后的效果

本系統通過使用變頻技術改造后，鍋爐引風機一般工作在額定轉速70%左右，鼓風機工作在額定轉速40%左右，最冷的時候鍋爐引風機工作在額定轉速80%左右，鼓風機工作在額定轉速50%左右，循環泵轉速工作在額定轉速70%左右。通過一年的運行，全年用電量由2009年的120萬度降至47.3萬度，節電率達60.5%，節約電費支出72.7 ×0.52=37.8 萬元。由于使用了變頻自動調速技術，鍋爐運行的穩定性和安全性得到提高，配風更為合理，燃燒更為充分，提高了鍋爐的熱效率，從而降低了耗煤量，在一個采暖期內節約耗煤250 t，節約煤費250×800=20萬元。節能效果明顯，當年收回改造成本，達到預期目的。由于使用了變頻技術，消除了原來Y—Δ啟動方式大電流對電網和設備的沖擊;由于設備運行在較低轉速狀態下，電機的噪聲、升溫及振動都大大減少，機械部件的磨損降低，電器故障也比原來降低，設備的使用壽命得到相應延長。由于本系統自動化程度的提高，操作工的工作環境得到改善，勞動強度得到降低，更體現了企業“以人為本”的管理理念。

［1］ 郭克芬.淺談無負壓變頻恒壓供水［J］.山西建筑，2011，37(3):129-130.