鍋爐風(fēng)機自動控制改造及節(jié)能效益評估

戈 帥

（太原市熱力集團有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

目前我國很多工業(yè)企業(yè)在鍋爐的使用過程中風(fēng)機一直在工頻狀態(tài)下運行，風(fēng)量主要以人工調(diào)節(jié)風(fēng)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(fēng)門的方式精準度較低，在實際生產(chǎn)過程中存在著風(fēng)量調(diào)節(jié)不準確的情況，存在著一定的安全隱患[1]。

1 引風(fēng)機自動控制系統(tǒng)改造

引風(fēng)機自動控制系統(tǒng)改造是基于變頻系統(tǒng)而形成的，在執(zhí)行過程中以閉環(huán)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(yīng)的控制電壓，實現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)速的改變，在保證鍋爐正常運行的情況下降低能耗[2]。閉環(huán)回路控制是將鍋爐爐膛內(nèi)部的壓力值作為基準，以此來實現(xiàn)自動化精準控制。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，某企業(yè)1 號燃氣鍋爐經(jīng)過七年的使用，引風(fēng)機葉片損壞嚴重，外殼體也存在銹蝕，因此在本次系統(tǒng)改造時對其進行更換。本次系統(tǒng)設(shè)計采用不銹鋼耐高溫引風(fēng)機，該風(fēng)機功率55 kW，流量為31 554~60 533 m3/h，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，電機電壓為380 V，能夠滿足鍋爐生產(chǎn)引風(fēng)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(fēng)機電機調(diào)控需求。

1.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

本次系統(tǒng)軟件程序控制是基于變頻器內(nèi)置PID算法模塊實現(xiàn)的，在實際運行過程中邏輯控制程序如下：首先啟動系統(tǒng)，引風(fēng)機經(jīng)過變頻器實現(xiàn)軟啟動，在啟動至工頻狀態(tài)下時，鍋爐爐膛內(nèi)置差壓變送器將壓力值反饋至變頻器當中，并與變頻器內(nèi)部預(yù)設(shè)壓力值進行對比，以此來實現(xiàn)引風(fēng)機的動態(tài)化調(diào)控。此項設(shè)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(fēng)機電能消耗。

1.3 鍋爐爐膛壓力控制測試

在引風(fēng)機自動控制系統(tǒng)設(shè)計完成前后，對系統(tǒng)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(fēng)量和引風(fēng)量均有關(guān)系，因此在測驗過程中將鼓風(fēng)機開至最大頻率，之后啟動引風(fēng)自動控制系統(tǒng)，測驗參數(shù)由鍋爐爐膛自帶壓差變送器記錄，具體結(jié)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(xiàn)此種情況的主要原因在于風(fēng)門在風(fēng)力的作用下調(diào)控相對困難，并且手動調(diào)控風(fēng)門精度較差，需要進行反復(fù)多次調(diào)節(jié)。經(jīng)過改造后，在自動化控制系統(tǒng)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(wěn)，并且在166 s 時基本恒定在-50 Pa 附近。由此可見，自動化系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效提高鍋爐爐膛內(nèi)部壓力的平穩(wěn)性，這有助于提高鍋爐燃燒效率和使用安全性。

2 鼓風(fēng)機自動控制系統(tǒng)改造

鍋爐鼓風(fēng)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(fēng)機輸出功率也需要進行相應(yīng)的調(diào)整，進而確保天然氣完全燃燒，并且排煙損失最小。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

某企業(yè)1 號燃氣鍋爐鼓風(fēng)機功率為22 kW，由于長時間使用已經(jīng)出現(xiàn)老化、效率不佳等問題，本次改造將其更換為耐高溫鼓風(fēng)機，功率22 kW，流量為9 405 m3/h，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，電機電壓380 V，能夠滿足鍋爐生產(chǎn)鼓風(fēng)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(fēng)機電機調(diào)控需求。

2.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

鼓風(fēng)機自動控制原理與引風(fēng)機控制原理一致，均由變頻器內(nèi)置PID 算法模塊實現(xiàn)風(fēng)機風(fēng)量自動調(diào)控。在設(shè)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(tǒng)實現(xiàn)。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(shù)，將其轉(zhuǎn)換為4~20 mA 電信號傳遞給天然氣自控閥門，實現(xiàn)天然氣輸入量的控制。而鼓風(fēng)機風(fēng)量控制需要結(jié)合天然氣量進行設(shè)計，本次設(shè)計中利用角度變送器將天然氣燃燒所需要的風(fēng)量信號傳遞給變頻器，同時鍋爐尾氣管內(nèi)空氣流量變送器（本次采用氧化鋯氧氣監(jiān)測傳感器）將信號傳遞至變頻器，變頻器通過與內(nèi)部預(yù)設(shè)值的對比進行風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)控。具體控制閉環(huán)回路設(shè)計如圖2 所示。

圖2 鼓風(fēng)機自動控制閉環(huán)回路設(shè)計

3 鍋爐風(fēng)機自動控制系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能經(jīng)濟性分析

本次自動控制系統(tǒng)改造主要用于某企業(yè)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(fēng)機自動控制系統(tǒng)改造供暖效果分析

某企業(yè)1 號燃氣鍋爐燃料為天然氣，主要用于廠區(qū)冬季供暖，供暖介質(zhì)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(jù)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(jīng)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(shè)施未改變，因此數(shù)據(jù)具有分析意義。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集分析對比可得結(jié)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(wěn)，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(tǒng)能夠滿足某廠區(qū)內(nèi)部供暖需求。

3.2 節(jié)能經(jīng)濟性分析

某企業(yè)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(yè)根據(jù)政府供暖期時間進行供暖。改造前鍋爐鼓風(fēng)機、引風(fēng)機均以工頻運行，改造完成后通過變頻器控制實現(xiàn)自動化控制，根據(jù)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(fēng)機、引風(fēng)機變頻器輸出功率平均值分析，具體得出改造前后風(fēng)機節(jié)能情況如表1 所示。

表1 某企業(yè)1 號改造前后風(fēng)機節(jié)能情況

在具體分析過程中，根據(jù)2020—2021 年供暖期某企業(yè)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(fēng)機、引風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(jié)能率達到27.56%。該地工業(yè)用電0.68 元/kW·h，全年供暖期可節(jié)約5 萬元，具有良好的經(jīng)濟效果。

4 結(jié)論

1）對引風(fēng)機自動控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行設(shè)計，并空機測試引風(fēng)機自動控制系統(tǒng)應(yīng)用效果，根據(jù)對改造前后鍋爐爐膛壓力分析發(fā)現(xiàn)，在自動化控制系統(tǒng)下，鍋爐爐膛壓力控制更加平穩(wěn)，這對提高鍋爐使用安全性有著重要的意義。

2）對鼓風(fēng)機自動控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行設(shè)計，確定鼓風(fēng)機自動控制閉環(huán)回路設(shè)計方式。

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