變頻技術(shù)在鍋爐供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，我國北方地區(qū)冬季城市集中供暖成為城市現(xiàn)代化必然采取的步驟。而供暖面積的不斷擴(kuò)大，使如何科學(xué)有效地控制和管理供暖系統(tǒng)，提高供暖的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，成為急需解決的重要課題。在供暖系統(tǒng)中，鍋爐房供暖所占比例很大，據(jù)對(duì)我國北方地區(qū)29個(gè)大中城市近3,5億平方米的供暖調(diào)查，鍋爐供暖占84%,熱力供暖占12%,其他供暖占4%.在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，集中熱力供暖是發(fā)展趨勢(shì)，但無法取代鍋爐供暖的主流地位。

對(duì)于供暖鍋爐來講，主要的能源消耗就是煤的消耗和電能的消耗，因此怎樣提高煤的燃燒效率和電能的利用效率成為企業(yè)節(jié)能降耗的重要方式和途徑。

1 鍋爐供暖系統(tǒng)的原理分析

在鍋爐供暖系統(tǒng)中，主要有風(fēng)量調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，循環(huán)水泵，給煤電機(jī)等用電設(shè)備。其中風(fēng)機(jī)主要調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量的大小，風(fēng)量調(diào)節(jié)過大，空氣含氧量超標(biāo)，那就浪費(fèi)了熱能，風(fēng)量調(diào)節(jié)過少，煤渣殘留碳粉過多，又浪費(fèi)了煤。因此為提高控制水平，保證空氣含氧量和煤渣殘留碳粉達(dá)標(biāo)，必須對(duì)風(fēng)量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式必須方便，靈敏，可靠。以往調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小都是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度來實(shí)現(xiàn)的，這種方式不論是人工調(diào)節(jié)還是機(jī)械自動(dòng)化儀表調(diào)節(jié)都有相當(dāng)一部分的電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能消耗在風(fēng)門的阻力上，無法達(dá)到節(jié)能的目的。

由于供暖鍋爐系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，采用交流變頻調(diào)速控制風(fēng)機(jī)、水泵流量代替?zhèn)鹘y(tǒng)閥門、擋板控制流量，可以大大節(jié)省該類負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的耗電量，達(dá)到節(jié)能的目的，如果普遍采用交流變頻調(diào)速，平均節(jié)電率在30%左右。用變頻器啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵等電動(dòng)機(jī)，由于變頻器內(nèi)部具有矢量轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，保證了電機(jī)良好的啟動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，有效地限制了電機(jī)的啟動(dòng)電流，明顯降低電機(jī)啟動(dòng)噪聲。同時(shí)，電機(jī)的軟啟動(dòng)避免了頻繁的工頻啟動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵等大電機(jī)的沖擊，有效地保護(hù)設(shè)備，延長設(shè)備使用壽命。

目前，隨著大規(guī)模集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一項(xiàng)成熟的交流調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速器作為該技術(shù)的主要應(yīng)用產(chǎn)品經(jīng)過幾代技術(shù)更新，己日趨完善，能夠適應(yīng)較為惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，_目。能提供較為完善的控制功能，能滿足各種生產(chǎn)設(shè)一備異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的要求。 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=60 f(1-s)/P

其中n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速;

f為電動(dòng)機(jī)工作電源頻率;

s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率;

P為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交一直一交電源變換技術(shù)，集電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。

2 變頻調(diào)速在供暖鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)無級(jí)調(diào)速，具有異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速無可比擬的優(yōu)越性，在鍋爐系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速在供熱鍋爐系統(tǒng)中主要應(yīng)用在風(fēng)機(jī)調(diào)速和水泵調(diào)速。 通常在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)用戶要求和運(yùn)行工況。而最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對(duì)象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下。 在供暖鍋爐系統(tǒng)中帶有循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等水泵類設(shè)備，根據(jù)不同的生產(chǎn)需求往往采用調(diào)整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設(shè)備進(jìn)行流量、壓力、水位等信號(hào)的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費(fèi)，管路、閥門等密封性能的破壞，還加速了泵腔、閥體的磨損和汽蝕，嚴(yán)重時(shí)損壞設(shè)備而影響生產(chǎn)。

目前，風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備多數(shù)采用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行，存在啟動(dòng)電流大、機(jī)械沖擊、電氣保護(hù)特性差等缺點(diǎn)。不僅影響設(shè)備使用壽命，而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護(hù)設(shè)備，時(shí)常出現(xiàn)泵損壞同時(shí)電機(jī)也被燒毀的現(xiàn)象。 近年來，出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)供暖質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器(簡稱變頻器)易操作、免維護(hù)、控制精度高，并可以實(shí)現(xiàn)高功能化等特點(diǎn)，因而采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案開始逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。用變頻器來對(duì)異步交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，是八十年代末迅速發(fā)展成熟的一項(xiàng)高新技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速的機(jī)械特性好，調(diào)速范圍廣，調(diào)整特性曲線平滑，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)的調(diào)速，尤其當(dāng)它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等大容量負(fù)載時(shí)，可獲得顯著的節(jié)能效果。

3 變頻調(diào)速節(jié)能分析

變頻調(diào)速應(yīng)用于鍋爐系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和水泵等電機(jī)的自動(dòng)控制中，其節(jié)能效果明顯。本節(jié)將以風(fēng)機(jī)節(jié)能為例，詳細(xì)分析其節(jié)能效果。水泵的節(jié)能分析類似，限于篇幅，不再贅述。 由流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速。與流量Q,壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n, H∝n2, P∝n3;即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

圖1給出了風(fēng)機(jī)中風(fēng)門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速二種控制方式下風(fēng)路的壓力-風(fēng)量(H-Q)關(guān)系及功率一風(fēng)量(P一Q)關(guān)系。其中，曲線1是風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的H-Q曲線，曲線2是風(fēng)機(jī)在某一較低速度下的H-Q曲線，曲線3是風(fēng)門開度最大時(shí)的H-Q曲線，曲線4是風(fēng)機(jī)在某一較小開度下的H-Q曲線。可以看出，當(dāng)實(shí)際工況風(fēng)量由Qi下降到Qz時(shí)，如果在風(fēng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，則工況點(diǎn)沿曲線1由A點(diǎn)移到B點(diǎn);如果在風(fēng)門開度最大的條件下用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，則工況點(diǎn)沿曲線3由A點(diǎn)移到C點(diǎn)。顯然，B點(diǎn)與C點(diǎn)的風(fēng)量相同，但C點(diǎn)的壓力要比B點(diǎn)壓力小得多。因此，風(fēng)機(jī)在變頻調(diào)速運(yùn)行方式下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可大大降低，節(jié)能效果明顯。

曲線5為變頻控制方式下的p-Q曲線，曲線6為風(fēng)門調(diào)節(jié)方式下的p-Q曲線?？梢钥闯?，在相同的風(fēng)量下，變頻控制方式比風(fēng)門調(diào)節(jié)方式能耗更小，二者之差可由下述經(jīng)驗(yàn)公式[}n]表示： ΔP=[0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3]Pe

其中Q為風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際風(fēng)量;

Qe為風(fēng)門開度為最大，且電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的風(fēng)量;

Pe為風(fēng)門開度為最大，且電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的功率。假設(shè)有一臺(tái)10t/h的熱水鍋爐：

引風(fēng)機(jī)：55kW,鼓風(fēng)機(jī)：22kW,共77kW

則由變頻調(diào)節(jié)與風(fēng)門調(diào)節(jié)相比較可知：

80%風(fēng)量時(shí)每小時(shí)節(jié)能

ΔP=[0.4+0.6Q /Qe-(Q/Qe)3]Pe=28.336kW

60%風(fēng)量時(shí)每小時(shí)節(jié)能

ΔP=[0.4+0.6Q /Qe-(Q/Qe)3]Pe = 41.888kW

如果按全年運(yùn)行7000小時(shí)計(jì)算，其中80%風(fēng)量運(yùn)行5000小時(shí);60%風(fēng)量運(yùn)行2000小時(shí)，則全年節(jié)能

5000 x 28.336+2000 x 41.888=225456 kW·h

由此可見，其節(jié)能效果非常顯著。 目前，變頻調(diào)速技術(shù)己逐漸為許多企業(yè)所認(rèn)識(shí)和接受，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它必將得到更加廣泛的應(yīng)用，也必將為認(rèn)識(shí)和接受它的企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)水泵上應(yīng)用節(jié)能原理

理論上風(fēng)機(jī)風(fēng)量(Q)，風(fēng)壓(H)與電機(jī)轉(zhuǎn)速(N)，電機(jī)的功率(P)成以下關(guān)系：

Q1/Q2=N1/N2;H1/H2=(N1/N2)2,P1/P2=(N1/N2)3

當(dāng)風(fēng)量減少電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其電機(jī)輸入功率迅速降低。如風(fēng)量下降到80%,電機(jī)轉(zhuǎn)速也下降到80%,其電機(jī)的軸功率則下降到額定功率的51%;若風(fēng)量下降到50%,則電機(jī)軸功率則為實(shí)際功率的14%左右。因此節(jié)電潛力是很大的。這個(gè)道理同樣適合于供水的循環(huán)水泵。因此對(duì)風(fēng)量流量調(diào)節(jié)范圍很大的風(fēng)機(jī)水泵，采用調(diào)速控制取代風(fēng)門，閥門調(diào)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效途徑。

速度控制的方法很多，其中變頻調(diào)速近些年來越來越廣泛的在該領(lǐng)域得到應(yīng)用：①效率高，沒有因調(diào)速帶來的附加轉(zhuǎn)差損耗;②調(diào)速范圍大，精度高，無級(jí)調(diào)速;③帶多種模擬量輸入輸出控制接口，容易實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和閉環(huán)控制;④由于采用V/F模式，特別適合于普通的鼠籠式電機(jī)配套使用，因此用此方法對(duì)舊設(shè)備改造，既保持了原電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，可靠耐用，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到節(jié)能顯著的效果，是風(fēng)機(jī)水泵交流調(diào)速節(jié)電的較理想方法。

5 惠豐變頻器改造鍋爐及其效果

煙臺(tái)熱電廠熱力總公司1999年在對(duì)供熱管路循環(huán)水泵(160KW)和自備的一臺(tái)鍋爐進(jìn)行了變頻改造(鍋爐鼓風(fēng)機(jī)22KW,引風(fēng)機(jī)15KW,爐排電機(jī)3.7KW)，為提高鍋爐風(fēng)量的控制水平，又能達(dá)到節(jié)能的效果，決定用變頻調(diào)速方式對(duì)此進(jìn)行改造。針對(duì)160KW循環(huán)水泵，原來因水泵一直高速運(yùn)轉(zhuǎn)，時(shí)間一長，因平時(shí)軸承磨損較大，故障率較高，同時(shí)白天和晚上因溫度差異較大，供熱量也不同，需要通過人工調(diào)節(jié)閥門的開度來調(diào)節(jié)熱水的供應(yīng)量，很麻煩，同時(shí)造成了電能的浪費(fèi)。公司決定對(duì)此也進(jìn)行改造。

(1) 節(jié)電效果：

由表可以看出，改用變頻調(diào)速后，每噸蒸汽接電5度，噸蒸汽耗電下降38.5%(綜合節(jié)電率)全月共節(jié)電=13.14*1651.5-13480=8220度，全年蒸汽總耗量18720噸，全年可節(jié)電93604度。

(2 )