鍋爐供水系統變頻調速節能改造

摘要：利用三菱F700水泵風機專用型變頻器，根據鍋爐差壓式液位傳感器的反饋信號，通過變頻器自帶的PID調節控制功能代替原鍋爐供水系統中的比例閥節流控制液位功能，實現鍋爐供水系統恒液位變頻調速節能改造。

關鍵詞：鍋爐供水系統 變頻調速 節能

在工業鍋爐供水系統中，節能降耗對于各個企業降低生產成本十分重要。而變頻調速技術具有極好的調速作用和節電性能等優點，已成為電力傳動技術發展的一個重要方向。

1 現存問題的分析

廣州統一企業有限公司經常出現鍋爐供汽壓力波動，導致殺菌機當機，嚴重影響生產，并造成經濟損失。通過分析發現，當鍋爐本體液位發生突變時，鍋爐供汽壓力也出現明顯的波動。問題的焦點集中在鍋爐供水系統，其中比例調節閥對鍋爐本體液位起著主要控制作用，該比例調節閥使用壓縮空氣作為調節動力，當空氣壓力波動時，比例調節閥容易誤動作，導致鍋爐供水波動，引起鍋爐蒸汽含水量增大，從而引起供汽壓力波動。在此系統中，易產生供汽壓力性能不穩，并且伴有能源大量浪費，同時增加了閥體、泵腔的磨損和汽蝕，也破壞了閥門、管路等的密閉性，甚至還會損壞系統設備。

因此，在鍋爐供水系統中，變頻器驅動逐漸取代了直接驅動的閥門工作模式。

2 節能分析

鍋爐設計通常會考慮到鍋爐最大負荷運行工況的安全問題，會將鍋爐供水能力按（1.5-2）倍的鍋爐蒸發能力設計，而在實際中，鍋爐系統只運行在60%-80%的負荷工況中，因此系統中有較大節能空間，具體分析如下：

電機軸功率P和流量Q、揚程H之間的關系為：

P=K×H×Q/η

其中K為常數，η為效率。

它們與轉速N之間的關系為：

Q1/Q2=N1//N2

H1/H2=（N1/N2）

P1/P2=（N1/N2）

式中：Q1、Q2——流量，m3/s；

N1、N2——轉速，r/min；

P1、P2——功率，kW；

H1、H2——揚程，m。

由上圖可知，曲線1為水泵在恒速下揚程H和流量Q的特性曲線，曲線2是管網阻力特性（閥門開度為100%）。設定，水泵在A工作點時的工作效率最高，輸出流量Q1=100%，此時，軸功率P1=Q1×H1與面積AQ1×AH1成正比。根據工藝要求，當流量需從Q1減少到Q（比例70%）時，如由原來的工況A點變到新的工況B點運行，由圖中可以看出，揚程反而增加了，軸功率P2與面積BH20Q2成正比，減少不多。

當應用變頻調速控制工作模式后，將水泵轉速由N1降到N2，依據比例定律，曲線4就描述出在轉速N2、下揚程H、和流量Q時的特性，由此推斷，如果流量Q2相同，揚程H3會大幅減少，功率P3：相等于面積CH3×CQ2也將隨之減少，節省的功率△P=△HQ2與面積BH2×H3C成正比，可見，所節能源量很可觀。

流量與轉速成比例，而功率與流量的3次方成比例。在水泵使用過程中，通常通過改變風門或者閥門的開度來達到改變流量的目的，效率比較低。

如果換成轉速控制，隨著流量的減小，所需功率基本上按照流量的3次方的幅度在下降。如：流量降到50%，轉速也降到50%時，軸功率將會降到額定功率的13%；然而，在實際工作中，節能所能達到的數額不會這么大，但節能效果也很可觀。

3 鍋爐變頻調速供水系統方案設計

3.1 鍋爐變頻調速供水系統組成

由上圖可知，變頻器的作用是代替傳統鍋爐供水流量進行調節。在比例調節閥供水系統中，水泵是長期運行在工頻，管網壓力大于鍋爐本體壓力，只要調節閥開度變化，鍋爐供水流量就能及時得到控制，而變頻調速供水系統在供水前，需要預置一定的下限頻率，使管網壓力大于或等于鍋爐本體壓力，達到與傳統供水系統功能等效。

3.2 系統電氣設計

廣州統一企業CB鍋爐有兩臺SEW15KW的水泵電機，其工作方式是一用一備。

①啟動信號 ②手動加水 ③PID EN ④模擬輸入EN ⑤運行信號 ⑥過負荷信號 ⑦公共端 ⑧測定值4～20MA

由上圖可知，兩供水泵電機分別受接觸器MC1和

MC2控制，兩接觸器通過各常閉觸點實現電氣互鎖，兩接觸器同時可以啟動變頻器。以電機1為例，當鍋爐供水系統開始工作時，手動按啟動按鈕，接觸器MC1閉合，同時變頻器啟動，由于變頻器從啟動到正常運行頻率需要8秒時間，因此按如圖所示的接線方式接線，并不會引起變頻器過流故障。當變頻器進入正常運轉狀態，其頻率變化會隨著液位反饋信號變化，由于鍋爐在正常運轉中需要進行表排和第排，本系統特別利用了變頻器高速運轉的優先原則，在高速選擇端上增加了手動給水選擇開關，以滿足鍋爐排污的需要。如果點擊在運轉中出現故障，由鍋爐供水系統電氣圖可以知道，變頻器會切斷兩接觸器控制回路，并自動將故障信號送至鍋爐控制室的PLC監控系統及時通知鍋爐管理人員，避免造成損失。

利用PID控制對系統進行分析并確定是最優參數，最終達到系統最大限度節能的效果。這里不再贅述。

參考文獻：

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