鍋爐節能系統中變頻技術的應用

周小博

（廣東省特種設備檢測研究院 湛江檢測院，廣東 湛江 524022）

0 前言

變頻調速技術是現代調速技術中最理想的一種，隨著科技的發展，變頻調速技術已具備了在工業領域推廣的條件。傳統的鍋爐電控系統是以繼電器、接觸器等硬連接為基礎的，技術上比較落后，直接影響鍋爐運行的可靠性和節能。本文提出了一種以電機變頻調速裝置為主要執行機構的新型控制系統，可節省大量電氣元件，通過借助于交流電機變頻調速技術實現鍋爐的能耗降低。

1 變頻技術的原理及優勢

1.1 變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：

n=60f（1-s）/p，

式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數。通過改變電流頻率以達到改變電機轉速的目的，使機電設備能夠達到無級調速。變頻技術能夠實現對電機的平穩、自動加減速控制，提高電機的工作效率并減小能源消耗。變頻器的電路通常分為四個部分，包括整流、直流、逆變和控制部分，各個部分相輔相成，共同控制著電機的工作，共同實現對設備轉速的自動、節能、高效控制。

1.2 變頻技術的主要優勢

1.2.1 調速效率高：變頻調速的特點是在頻率變化后，電動機仍在該頻率的同步轉速附近運行。基本上保持額定轉差率，轉差損失不增加。變頻調速時的損失，只是在變頻裝置中產生的變流損失以及高次諧波的影響，使電動機的損耗有所增加，相應效率有所下降。總之，變頻調速是一種高效調速方式。

1.2.2 調速范圍寬：一般可達10：1或20：1，并在整個范圍內均具有較高的調速裝置效率，所以變頻調速方式適用于調速范圍寬，且經常處于低轉速狀態下運行的負載。

1.2.3 操作簡便，例如風機由原來8分鐘至10分鐘啟動完成，變頻后只在1分鐘內風機就可以正常運行。同時風門能隨風機一起自動開啟。

2 鍋爐的燃燒控制

鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務是使燃燒熱量適應負荷的需要，同時還要保證鍋爐安全經濟運行。因此可利用變頻器輸出的控制信號控制給煤量，通過調節鼓風量與給煤量的比例，使鍋爐運行在最佳燃燒狀態。同時引入煙氣含氧量參數，自動調整風煤比，保證鍋爐的經濟燃燒，提高熱效率。

變頻器采集爐膛負壓傳感器的測量值，利用內置調節功能自動對鍋爐引風機轉速進行控制，以維持爐膛負壓的穩定。壓力控制器的輸出直接調節引風機在轉速(不是直接控制給煤量)，而引風量的變化將導致爐膛負壓的變化，通過負壓前饋控制調節鼓風機的轉速，經PLC運算出鼓風量的大小。由于送煤量與爐排轉速成正比，鼓風量與送煤量成正比，因此，可換算出爐排轉速，達到最佳風煤配比及最佳燃燒效果。以往人工調節時，負壓忽大忽小，難以掌握，負壓過大則使漏風損失和排煙熱損失加大，增加引風機電耗；負壓過小，則爐膛正壓向外噴火，生產不安全而且污染環境。采用變頻器閉環控制后，引風機的轉速自動跟蹤爐膛負壓的變化，做到精確控制。

3 變頻調速器的節能控制

通過流體力學原理可知，風量與電機轉速的一次方成正比，壓力與轉速的二次方成正比，風量與壓力之積為負載功率。因此帶動風機的交流電動機的功率與轉速的三次方成正比。所以，當風機轉速降低時，電動機功率會成立方比下降，節能效果明顯。

在本系統中，變頻器起到執行機構的作用。通過調節轉速來改變給水量、鼓風量、引風量、給煤量。下面通過圖1分析一下調速改變流量的節能原理。

圖1 變頻器控制的風壓與風量曲線圖

如圖1中，曲線(1)為風機在恒定轉速n1下的風壓一風量(H-Q)特性；曲線2為管網風阻特性(風門全開)。假設風機工作在A點效率最高，此時風壓為H2，風量為Q1，軸功率為N1與Q1、H2的乘積成正比，在圖3中可用面積AH2OQ2表示。如果生產工藝要求，風量需要從Q2減至Q1，這時用調節風門的辦法相當于增加管網阻力，使管網阻力特性變到曲線3，系統由原來的工況點A變到新的工況點B運行。從圖1中看出，風壓H1反而增加，軸功率與面積BH1OQ1成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調速控制方式，風機轉數由n1降到n2，根據風機參數的比例定律，則轉數n2風量(Q-H)特性如曲線4所示。可見在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH3OQ1表示。節省的功率△N=(H1-H3)×Q2，用面積BH1H3C表示。[1]

采用變頻器進行調速，當風量下降到80%時，轉速也下降到80%，而軸功率N將下降到額定功率的51.2%，如果風量下降到60%，軸功率N可下降到額定功率的21.6%，當然還需要考慮由于轉速降低會引起的效率降低及附加控制裝置的效率影響等，即使這樣，這個節能數值也是很可觀的。

4 結論

綜上所述，通過變頻技術對鍋爐控制調節系統的改造，具有以下特點：

4.1 可以直觀而集中地顯示鍋爐的各運行參數，能快速計算出正常運行和啟停過程中的有用數據，能在顯示器上同時顯示鍋爐運行的水位、壓力、爐膛負壓等參數值；

4.2 延長電機及其它設備的壽命，降低維護成本。可實現軟起動,起動電流平穩上升，對用電系統和電機、機械無啟動沖擊，可避免大功率電機啟動時的沖擊力矩對風機電機的損壞；

4.3 可實現無級調速，調節精度高，可以使鍋爐的運行參數得到改善，提高了鍋爐運行的效率；

4.4 通過全自動控制引、送風比例來調節煙氣中氧的含量，使鍋爐能夠燃燒完全，減少了環境污染，取得良好的運行效果和經濟效益。

［1］鄭效文，宋立強，崔佳.變頻調速技術在污水處理廠的應用[J].變頻器世界，2006,11(9):100-103.