變頻技術在鍋爐供暖系統(tǒng)中的應用研究

隨著城市建設的迅速發(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大，使如何科學有效地控制和管理供暖系統(tǒng)，提高供暖的經濟效益和社會效益，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)對我國北方地區(qū)29個大中城市近3,5億平方米的供暖調查，鍋爐供暖占84%,熱力供暖占12%,其他供暖占4%.在今后相當長的時間內，集中熱力供暖是發(fā)展趨勢，但無法取代鍋爐供暖的主流地位。

對于供暖鍋爐來講，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，主要有風量調節(jié)風機，循環(huán)水泵，給煤電機等用電設備。其中風機主要調節(jié)進風量的大小，風量調節(jié)過大，空氣含氧量超標，那就浪費了熱能，風量調節(jié)過少，煤渣殘留碳粉過多，又浪費了煤。因此為提高控制水平，保證空氣含氧量和煤渣殘留碳粉達標，必須對風量進行有效調節(jié)，調節(jié)方式必須方便，靈敏，可靠。以往調節(jié)風量的大小都是通過調節(jié)風門的開度來實現(xiàn)的，這種方式不論是人工調節(jié)還是機械自動化儀表調節(jié)都有相當一部分的電能轉換機械能消耗在風門的阻力上，無法達到節(jié)能的目的。

由于供暖鍋爐系統(tǒng)中的風機、水泵負載轉矩與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比，采用交流變頻調速控制風機、水泵流量代替?zhèn)鹘y(tǒng)閥門、擋板控制流量，可以大大節(jié)省該類負載的驅動電機的耗電量，達到節(jié)能的目的，如果普遍采用交流變頻調速，平均節(jié)電率在30%左右。用變頻器啟動風機、水泵等電動機，由于變頻器內部具有矢量轉矩控制技術，保證了電機良好的啟動性能，實現(xiàn)電機軟啟動，有效地限制了電機的啟動電流，明顯降低電機啟動噪聲。同時，電機的軟啟動避免了頻繁的工頻啟動對風機、水泵等大電機的沖擊，有效地保護設備，延長設備使用壽命。

目前，隨著大規(guī)模集成電路和微電子技術的發(fā)展，變頻調速技術已經發(fā)展為一項成熟的交流調速技術。變頻調速器作為該技術的主要應用產品經過幾代技術更新，己日趨完善，能夠適應較為惡劣的工業(yè)生產環(huán)境，_目。能提供較為完善的控制功能，能滿足各種生產設一備異步電動機調速的要求。 變頻調速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：

n=60 f(1-s)/P

其中n表示電機轉速;

f為電動機工作電源頻率;

s為電機轉差率;

P為電機磁極對數(shù)。

通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交一直一交電源變換技術，集電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產品。

2 變頻調速在供暖鍋爐系統(tǒng)中的應用

由于變頻調速可以實現(xiàn)電機無級調速，具有異步電機調壓調速和串級調速無可比擬的優(yōu)越性，在鍋爐系統(tǒng)中得到廣泛的應用。變頻調速在供熱鍋爐系統(tǒng)中主要應用在風機調速和水泵調速。 通常在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，根據(jù)生產需要對風速、風量、溫度等指標進行控制和調節(jié)以適應用戶要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節(jié)風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下。 在供暖鍋爐系統(tǒng)中帶有循環(huán)泵、補水泵等水泵類設備，根據(jù)不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，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，嚴重時損壞設備而影響生產。

目前，風機、泵類設備多數(shù)采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現(xiàn)泵損壞同時電機也被燒毀的現(xiàn)象。 近年來，出于節(jié)能的迫切需要和對供暖質量不斷提高的要求，加之采用變頻調速器(簡稱變頻器)易操作、免維護、控制精度高，并可以實現(xiàn)高功能化等特點，因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。用變頻器來對異步交流電動機調速，是八十年代末迅速發(fā)展成熟的一項高新技術。它的優(yōu)點是：調速的機械特性好，調速范圍廣，調整特性曲線平滑，可以實現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)的調速，尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時，可獲得顯著的節(jié)能效果。

3 變頻調速節(jié)能分析

變頻調速應用于鍋爐系統(tǒng)的風機和水泵等電機的自動控制中，其節(jié)能效果明顯。本節(jié)將以風機節(jié)能為例，詳細分析其節(jié)能效果。水泵的節(jié)能分析類似，限于篇幅，不再贅述。 由流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速。與流量Q,壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n, H∝n2, P∝n3;即流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。

圖1給出了風機中風門調節(jié)和變頻調速二種控制方式下風路的壓力-風量(H-Q)關系及功率一風量(P一Q)關系。其中，曲線1是風機在額定轉速下的H-Q曲線，曲線2是風機在某一較低速度下的H-Q曲線，曲線3是風門開度最大時的H-Q曲線，曲線4是風機在某一較小開度下的H-Q曲線?？梢钥闯?，當實際工況風量由Qi下降到Qz時，如果在風機以額定轉速運轉的條件調節(jié)風門開度，則工況點沿曲線1由A點移到B點;如果在風門開度最大的條件下用變頻器調節(jié)風機的轉速，則工況點沿曲線3由A點移到C點。顯然，B點與C點的風量相同，但C點的壓力要比B點壓力小得多。因此，風機在變頻調速運行方式下，風機轉速可大大降低，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為風門調節(jié)方式下的p-Q曲線?？梢钥闯?，在相同的風量下，變頻控制方式比風門調節(jié)方式能耗更小，二者之差可由下述經驗公式[}n]表示： ΔP=[0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3]Pe

其中Q為風機運行時實際風量;

Qe為風門開度為最大，且電機運行在額定轉速時的風量;

Pe為風門開度為最大，且電機運行在額定轉速時的功率。假設有一臺10t/h的熱水鍋爐：

引風機：55kW,鼓風機：22kW,共77kW

則由變頻調節(jié)與風門調節(jié)相比較可知：

80%風量時每小時節(jié)能

ΔP=[0.4+0.6Q /Qe-(Q/Qe)3]Pe=28.336kW

60%風量時每小時節(jié)能

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

如果按全年運行7000小時計算，其中80%風量運行5000小時;60%風量運行2000小時，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，變頻調速技術己逐漸為許多企業(yè)所認識和接受，隨著這項技術的不斷發(fā)展和完善，它必將得到更加廣泛的應用，也必將為認識和接受它的企業(yè)帶來可觀的經濟效益。

4 變頻調速在風機水泵上應用節(jié)能原理

理論上風機風量(Q)，風壓(H)與電機轉速(N)，電機的功率(P)成以下關系：

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

當風量減少電機轉速下降時，其電機輸入功率迅速降低。如風量下降到80%,電機轉速也下降到80%,其電機的軸功率則下降到額定功率的51%;若風量下降到50%,則電機軸功率則為實際功率的14%左右。因此節(jié)電潛力是很大的。這個道理同樣適合于供水的循環(huán)水泵。因此對風量流量調節(jié)范圍很大的風機水泵，采用調速控制取代風門，閥門調節(jié)，是實現(xiàn)節(jié)能的有效途徑。

速度控制的方法很多，其中變頻調速近些年來越來越廣泛的在該領域得到應用：①效率高，沒有因調速帶來的附加轉差損耗;②調速范圍大，精度高，無級調速;③帶多種模擬量輸入輸出控制接口，容易實現(xiàn)協(xié)調控制和閉環(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配套使用，因此用此方法對舊設備改造，既保持了原電機的結構簡單，可靠耐用，維護方便的優(yōu)點，又能達到節(jié)能顯著的效果，是風機水泵交流調速節(jié)電的較理想方法。

5 惠豐變頻器改造鍋爐及其效果

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

(1) 節(jié)電效果：

由表可以看出，改用變頻調速后，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 )