鍋爐節(jié)能系統(tǒng)中變頻技術(shù)的應(yīng)用

周小博

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院 湛江檢測院，廣東 湛江 524022）

0 前言

變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代調(diào)速技術(shù)中最理想的一種，隨著科技的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已具備了在工業(yè)領(lǐng)域推廣的條件。傳統(tǒng)的鍋爐電控系統(tǒng)是以繼電器、接觸器等硬連接為基礎(chǔ)的，技術(shù)上比較落后，直接影響鍋爐運(yùn)行的可靠性和節(jié)能。本文提出了一種以電機(jī)變頻調(diào)速裝置為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的新型控制系統(tǒng)，可節(jié)省大量電氣元件，通過借助于交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)鍋爐的能耗降低。

1 變頻技術(shù)的原理及優(yōu)勢

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：

n=60f（1-s）/p，

式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)。通過改變電流頻率以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，使機(jī)電設(shè)備能夠達(dá)到無級調(diào)速。變頻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)的平穩(wěn)、自動(dòng)加減速控制，提高電機(jī)的工作效率并減小能源消耗。變頻器的電路通常分為四個(gè)部分，包括整流、直流、逆變和控制部分，各個(gè)部分相輔相成，共同控制著電機(jī)的工作，共同實(shí)現(xiàn)對設(shè)備轉(zhuǎn)速的自動(dòng)、節(jié)能、高效控制。

1.2 變頻技術(shù)的主要優(yōu)勢

1.2.1 調(diào)速效率高：變頻調(diào)速的特點(diǎn)是在頻率變化后，電動(dòng)機(jī)仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行。基本上保持額定轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差損失不增加。變頻調(diào)速時(shí)的損失，只是在變頻裝置中產(chǎn)生的變流損失以及高次諧波的影響，使電動(dòng)機(jī)的損耗有所增加，相應(yīng)效率有所下降。總之，變頻調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。

1.2.2 調(diào)速范圍寬：一般可達(dá)10：1或20：1，并在整個(gè)范圍內(nèi)均具有較高的調(diào)速裝置效率，所以變頻調(diào)速方式適用于調(diào)速范圍寬，且經(jīng)常處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)行的負(fù)載。

1.2.3 操作簡便，例如風(fēng)機(jī)由原來8分鐘至10分鐘啟動(dòng)完成，變頻后只在1分鐘內(nèi)風(fēng)機(jī)就可以正常運(yùn)行。同時(shí)風(fēng)門能隨風(fēng)機(jī)一起自動(dòng)開啟。

2 鍋爐的燃燒控制

鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是使燃燒熱量適應(yīng)負(fù)荷的需要，同時(shí)還要保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此可利用變頻器輸出的控制信號控制給煤量，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量與給煤量的比例，使鍋爐運(yùn)行在最佳燃燒狀態(tài)。同時(shí)引入煙氣含氧量參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整風(fēng)煤比，保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒，提高熱效率。

變頻器采集爐膛負(fù)壓傳感器的測量值，利用內(nèi)置調(diào)節(jié)功能自動(dòng)對鍋爐引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以維持爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定。壓力控制器的輸出直接調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速(不是直接控制給煤量)，而引風(fēng)量的變化將導(dǎo)致爐膛負(fù)壓的變化，通過負(fù)壓前饋控制調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)PLC運(yùn)算出鼓風(fēng)量的大小。由于送煤量與爐排轉(zhuǎn)速成正比，鼓風(fēng)量與送煤量成正比，因此，可換算出爐排轉(zhuǎn)速，達(dá)到最佳風(fēng)煤配比及最佳燃燒效果。以往人工調(diào)節(jié)時(shí)，負(fù)壓忽大忽小，難以掌握，負(fù)壓過大則使漏風(fēng)損失和排煙熱損失加大，增加引風(fēng)機(jī)電耗；負(fù)壓過小，則爐膛正壓向外噴火，生產(chǎn)不安全而且污染環(huán)境。采用變頻器閉環(huán)控制后，引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟蹤爐膛負(fù)壓的變化，做到精確控制。

3 變頻調(diào)速器的節(jié)能控制

通過流體力學(xué)原理可知，風(fēng)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，風(fēng)量與壓力之積為負(fù)載功率。因此帶動(dòng)風(fēng)機(jī)的交流電動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率會(huì)成立方比下降，節(jié)能效果明顯。

在本系統(tǒng)中，變頻器起到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來改變給水量、鼓風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量。下面通過圖1分析一下調(diào)速改變流量的節(jié)能原理。

圖1 變頻器控制的風(fēng)壓與風(fēng)量曲線圖

如圖1中，曲線(1)為風(fēng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速n1下的風(fēng)壓一風(fēng)量(H-Q)特性；曲線2為管網(wǎng)風(fēng)阻特性(風(fēng)門全開)。假設(shè)風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)效率最高，此時(shí)風(fēng)壓為H2，風(fēng)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(chǎn)工藝要求，風(fēng)量需要從Q2減至Q1，這時(shí)用調(diào)節(jié)風(fēng)門的辦法相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到曲線3，系統(tǒng)由原來的工況點(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運(yùn)行。從圖1中看出，風(fēng)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(diào)速控制方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)由n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，則轉(zhuǎn)數(shù)n2風(fēng)量(Q-H)特性如曲線4所示。可見在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH3OQ1表示。節(jié)省的功率△N=(H1-H3)×Q2，用面積BH1H3C表示。[1]

采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，當(dāng)風(fēng)量下降到80%時(shí)，轉(zhuǎn)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(fēng)量下降到60%，軸功率N可下降到額定功率的21.6%，當(dāng)然還需要考慮由于轉(zhuǎn)速降低會(huì)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(gè)節(jié)能數(shù)值也是很可觀的。

4 結(jié)論

綜上所述，通過變頻技術(shù)對鍋爐控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造，具有以下特點(diǎn)：

4.1 可以直觀而集中地顯示鍋爐的各運(yùn)行參數(shù)，能快速計(jì)算出正常運(yùn)行和啟停過程中的有用數(shù)據(jù)，能在顯示器上同時(shí)顯示鍋爐運(yùn)行的水位、壓力、爐膛負(fù)壓等參數(shù)值；

4.2 延長電機(jī)及其它設(shè)備的壽命，降低維護(hù)成本。可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng),起動(dòng)電流平穩(wěn)上升，對用電系統(tǒng)和電機(jī)、機(jī)械無啟動(dòng)沖擊，可避免大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊力矩對風(fēng)機(jī)電機(jī)的損壞；

4.3 可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)節(jié)精度高，可以使鍋爐的運(yùn)行參數(shù)得到改善，提高了鍋爐運(yùn)行的效率；

4.4 通過全自動(dòng)控制引、送風(fēng)比例來調(diào)節(jié)煙氣中氧的含量，使鍋爐能夠燃燒完全，減少了環(huán)境污染，取得良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。

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