變頻技術在鍋爐供暖系統中的應用研究

隨著城市建設的迅速發展，我國北方地區冬季城市集中供暖成為城市現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，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。在供暖系統中，鍋爐房供暖所占比例很大，據對我國北方地區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節能降耗的重要方式和途徑。

1 鍋爐供暖系統的原理分析

在鍋爐供暖系統中，主要有風量調節風機，循環水泵，給煤電機等用電設備。其中風機主要調節進風量的大小，風量調節過大，空氣含氧量超標，那就浪費了熱能，風量調節過少，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，調節方式必須方便，靈敏，可靠。以往調節風量的大小都是通過調節風門的開度來實現的，這種方式不論是人工調節還是機械自動化儀表調節都有相當一部分的電能轉換機械能消耗在風門的阻力上，無法達到節能的目的。

由于供暖鍋爐系統中的風機、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、水泵流量代替傳統閥門、擋板控制流量，可以大大節省該類負載的驅動電機的耗電量，達到節能的目的，如果普遍采用交流變頻調速，平均節電率在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，隨著大規模集成電路和微電子技術的發展，變頻調速技術已經發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生產環境，_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。

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中的應用

由于變頻調速可以實現電機無級調速，具有異步電機調壓調速和串級調速無可比擬的優越性，在鍋爐系統中得到廣泛的應用。變頻調速在供熱鍋爐系統中主要應用在風機調速和水泵調速。 通常在鍋爐燃燒系統中，根據生產需要對風速、風量、溫度等指標進行控制和調節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。 在供暖鍋爐系統中帶有循環泵、補水泵等水泵類設備，根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進行流量、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，而且當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現泵損壞同時電機也被燒毀的現象。 近年來，出于節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展成熟的一項高新技術。它的優點是：調速的機械特性好，調速范圍廣，調整特性曲線平滑，可以實現連續、平穩的調速，尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時，可獲得顯著的節能效果。

3 變頻調速節能分析

變頻調速應用于鍋爐系統的風機和水泵等電機的自動控制中，其節能效果明顯。本節將以風機節能為例，詳細分析其節能效果。水泵的節能分析類似，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。可以看出，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為風門調節方式下的p-Q曲線。可以看出，在相同的風量下，變頻控制方式比風門調節方式能耗更小，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

則由變頻調節與風門調節相比較可知：

80%風量時每小時節能

ΔP=[0.4+0.6Q /Qe-(Q/Qe)3]Pe=28.336kW

60%風量時每小時節能

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，則全年節能

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

由此可見，其節能效果非常顯著。 目前，變頻調速技術己逐漸為許多企業所認識和接受，隨著這項技術的不斷發展和完善，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帶來可觀的經濟效益。

4 變頻調速在風機水泵上應用節能原理

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。因此節電潛力是很大的。這個道理同樣適合于供水的循環水泵。因此對風量流量調節范圍很大的風機水泵，采用調速控制取代風門，閥門調節，是實現節能的有效途徑。

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，容易實現協調控制和閉環控制;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，維護方便的優點，又能達到節能顯著的效果，是風機水泵交流調速節電的較理想方法。

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，又能達到節能的效果，決定用變頻調速方式對此進行改造。針對160KW循環水泵，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，需要通過人工調節閥門的開度來調節熱水的供應量，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%(綜合節電率)全月共節電=13.14*1651.5-13480=8220度，全年蒸汽總耗量18720噸，全年可節電93604度。

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