鍋爐風機自動控制改造及節能效益評估

戈 帥

（太原市熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

目前我國很多工業企業在鍋爐的使用過程中風機一直在工頻狀態下運行，風量主要以人工調節風門的方式控制，這不僅加大了人工勞動強度，同時也造成了電能的浪費，并且人工控制風門的方式精準度較低，在實際生產過程中存在著風量調節不準確的情況，存在著一定的安全隱患[1]。

1 引風機自動控制系統改造

引風機自動控制系統改造是基于變頻系統而形成的，在執行過程中以閉環控制原理為主，控制器通過對微差變送器采集的信號進行分析處理，從而輸出相應的控制電壓，實現風機轉速的改變，在保證鍋爐正常運行的情況下降低能耗[2]。閉環回路控制是將鍋爐爐膛內部的壓力值作為基準，以此來實現自動化精準控制。

1.1 系統硬件設計

經過調查研究發現，某企業1 號燃氣鍋爐經過七年的使用，引風機葉片損壞嚴重，外殼體也存在銹蝕，因此在本次系統改造時對其進行更換。本次系統設計采用不銹鋼耐高溫引風機，該風機功率55 kW，流量為31 554~60 533 m3/h，轉速為1 450 r/min，電機電壓為380 V，能夠滿足鍋爐生產引風需求。變頻器采用西門子6SL3220-1YD40-0UB0 變頻器，容量為55 kW，能夠滿足風機電機調控需求。

1.2 系統軟件程序設計

本次系統軟件程序控制是基于變頻器內置PID算法模塊實現的，在實際運行過程中邏輯控制程序如下：首先啟動系統，引風機經過變頻器實現軟啟動，在啟動至工頻狀態下時，鍋爐爐膛內置差壓變送器將壓力值反饋至變頻器當中，并與變頻器內部預設壓力值進行對比，以此來實現引風機的動態化調控。此項設計目的是為了保障爐膛負壓處于一個恒定的范圍，從而提高天然氣的燃燒效率，降低風機電能消耗。

1.3 鍋爐爐膛壓力控制測試

在引風機自動控制系統設計完成前后，對系統進行測驗，對比改造前后爐膛負壓變化情況。由于爐膛壓力與鼓風量和引風量均有關系，因此在測驗過程中將鼓風機開至最大頻率，之后啟動引風自動控制系統，測驗參數由鍋爐爐膛自帶壓差變送器記錄，具體結果如圖1 所示。

圖1 改造前后鍋爐爐膛壓力情況

由圖1 可知，在改造之前，鍋爐爐膛壓力波動幅度在-89~30 Pa 之間，波動幅度較大，在210 s 后依舊有明顯跳動，出現此種情況的主要原因在于風門在風力的作用下調控相對困難，并且手動調控風門精度較差，需要進行反復多次調節。經過改造后，在自動化控制系統下，鍋爐爐膛壓力波動幅度在-62.8~-27.3 Pa之間，整體壓力控制更加平穩，并且在166 s 時基本恒定在-50 Pa 附近。由此可見，自動化系統的應用能夠有效提高鍋爐爐膛內部壓力的平穩性，這有助于提高鍋爐燃燒效率和使用安全性。

2 鼓風機自動控制系統改造

鍋爐鼓風機主要用于為鍋爐燃燒提供充足的氧氣，隨著天然氣量的改變，鼓風機輸出功率也需要進行相應的調整，進而確保天然氣完全燃燒，并且排煙損失最小。

2.1 系統硬件設計

某企業1 號燃氣鍋爐鼓風機功率為22 kW，由于長時間使用已經出現老化、效率不佳等問題，本次改造將其更換為耐高溫鼓風機，功率22 kW，流量為9 405 m3/h，轉速為1 450 r/min，電機電壓380 V，能夠滿足鍋爐生產鼓風需求。變頻器采用西門子6SE7032-6EG60 變頻器，容量為22 kW，能夠滿足風機電機調控需求。

2.2 系統軟件程序設計

鼓風機自動控制原理與引風機控制原理一致，均由變頻器內置PID 算法模塊實現風機風量自動調控。在設計當中，天然氣給定閥門主要由天然氣公司所配備的自動集成控制系統實現。在運行過程中利用1 151 電容式變送器采集鍋爐軟水的熱工參數，將其轉換為4~20 mA 電信號傳遞給天然氣自控閥門，實現天然氣輸入量的控制。而鼓風機風量控制需要結合天然氣量進行設計，本次設計中利用角度變送器將天然氣燃燒所需要的風量信號傳遞給變頻器，同時鍋爐尾氣管內空氣流量變送器（本次采用氧化鋯氧氣監測傳感器）將信號傳遞至變頻器，變頻器通過與內部預設值的對比進行風機轉速調控。具體控制閉環回路設計如圖2 所示。

圖2 鼓風機自動控制閉環回路設計

3 鍋爐風機自動控制系統應用的節能經濟性分析

本次自動控制系統改造主要用于某企業1 號燃氣鍋爐中，改造時間為2020 年10 月11 日—2020 年11 月1 日。

3.1 鍋爐風機自動控制系統改造供暖效果分析

某企業1 號燃氣鍋爐燃料為天然氣，主要用于廠區冬季供暖，供暖介質為軟化水。因此改造完成后需要對供暖效果進行分析。本次研究選取2019 年供暖初、中、末期典型日（11 月28 日、1 月20 日、3 月10日）某房間溫度變化情況，溫度采集每4 小時一次，根據記錄可知這三天該地氣溫為［-12，5］℃、［-23，-3］℃、［-16，-1］℃；改造后選取2020 年供暖初、中、末期典型日（11 月16 日、1 月29 日、3 月13 日）同一房間溫度變化情況，經過氣候溫度分析可知，2020 年選取的典型日與2019 年選取的典型日氣溫一致，該房間一直無人居住，其中裝潢設施未改變，因此數據具有分析意義。經過數據采集分析對比可得結果如圖3 所示。

圖3 改造前后供暖初、中、末期某房間溫度對比圖

由圖3 可知，2020 年供暖初、中、末期典型日某房間的溫度變化幅度相對較大，在白天期間房間溫度較高，其中在11 月28 日溫差達到7.76 ℃。2020 年供暖初、中、末期典型日某房間的溫度變化相對平穩，在8：00—20：00 階段，溫度變化幅度更小，三個典型日全天最大溫差為4.39 ℃，溫差降低率達43.43%，并且全天溫度均保持在18 ℃以上。由此可見，改造后的自動控制系統能夠滿足某廠區內部供暖需求。

3.2 節能經濟性分析

某企業所在地2020—2021 年供暖期為11 月15日—4 月10 日，共計146 d，該企業根據政府供暖期時間進行供暖。改造前鍋爐鼓風機、引風機均以工頻運行，改造完成后通過變頻器控制實現自動化控制，根據對2020 年供暖初、中、末期典型日（11 月16 日、1 月29 日、3 月13 日）3 d，鼓風機、引風機變頻器輸出功率平均值分析，具體得出改造前后風機節能情況如表1 所示。

表1 某企業1 號改造前后風機節能情況

在具體分析過程中，根據2020—2021 年供暖期某企業所在地氣溫分析，本次研究將整個供暖期分為三個階段，其中初期為11 月15 日—12 月27 日，為42 d；中期為12 月28 日—次年2 月23 日，為57 d；末期為2 月24 日—4 月10 日，為45 d。由此可以計算出改造前整個供暖期鍋爐鼓風機、引風機共消耗電能為（22 kW+55 kW）×146 d×24 h/d=269 808 kW·h。改造完成后鍋爐鼓風機共消耗電能為15.32 kW×42 d×24 h/d+19.23 kW×57 d×24 h/d+16.34 kW×45 d×24 h/d=59 396.4 kW·h；引風機共消耗電能為36.32 kW×42 d×24 h/d+42.98 kW×57 d×24 h/d+37.64 kW×45 d×24 h/d=136 058.4 kW·h，共計消耗電能195 454.8 kW·h。由此可見整個供暖季電能消耗降低743 53.2 kW·h，節能率達到27.56%。該地工業用電0.68 元/kW·h，全年供暖期可節約5 萬元，具有良好的經濟效果。

4 結論

1）對引風機自動控制系統的硬件和軟件進行設計，并空機測試引風機自動控制系統應用效果，根據對改造前后鍋爐爐膛壓力分析發現，在自動化控制系統下，鍋爐爐膛壓力控制更加平穩，這對提高鍋爐使用安全性有著重要的意義。

2）對鼓風機自動控制系統的硬件和軟件進行設計，確定鼓風機自動控制閉環回路設計方式。

3）將自動控制系統應用于某企業1 號燃氣鍋爐當中，經過測驗發現，自動控制系統應用后，某房間溫度變化相對平穩，且溫度均保持在18 ℃以上，能夠滿足企業供暖需求；從電能消耗角度分析，相比較傳統控制方式，自動控制系統應用后整個供暖期能夠降低電能74 353.2 kW·h，節能率達到27.56%，供暖期電費成本可降低5 萬余元。