变频技术在锅炉供暖系统改造中的应用

李克忠 岳 勇

锅炉供热系统是现代企业和民用采暖系统中的主要设备，除消耗煤炭外，电能的消耗非常大，约占总耗能的20%。供热系统中耗电的设备主要是鼓、引风机和循环水泵等，而这些设备的容量是根据锅炉最大热负荷选定的，且留有一定的设计余量。在没有调速的系统中，风机、水泵在工频状态下全速运行，容易形成“大马拉小车”的现象，造成了能源的浪费。结合某工业园区锅炉供热系统的现状，对其鼓、引风机系统和循环水泵系统进行改造。

1 锅炉供热系统简介

锅炉供热系统一般由锅炉及辅机系统、除尘系统、循环泵站、管网系统和用户散热器组成。

工作原理:在供热系统注满软化水至要求压力后，启动循环水泵。启炉，煤在鼓、引风机的辅助下，在炉膛中燃烧产生热量，传递至上下锅桶、水冷壁管、对流管中的水中，将常温水加温，通过循环水泵加压经管网系统送至用户散热器，由空气传导热量从而达到采暖的目的。散热后的热水经过管网的回水系统返回锅炉中重新加热。通过控制炉排行进速度、煤层厚度和鼓、引风的风量达到控制锅炉热负荷目的，从而实现控制热水出口温度。通过定压泵控制系统回水压力，达到控制系统压力。通过调节循环水泵的出口阀门，达到控制循环水泵流量满足供暖要求。燃烧产生的烟尘经过除尘系统后，达到环保排放。

2 原系统现状分析及存在问题

某工业园区锅炉供热系统采用一台南京锅炉厂设计、制造的SZL14-1.25/130/70-AⅡ型锅炉，锅炉额定热功率为14 MW，额定工作压力为1.25 MPa，额定供水温度为130℃，回水温度为70℃，设计燃料为Ⅱ类烟。该锅炉采用双锅筒纵向布置，燃烧设备采用轻型链带式链条炉排，锅炉整体布置采用组装式，轻型炉墙。由于采用单系统循环，锅炉实际供水温度为70℃，回水温度为40℃～50℃。它主要为园区建筑面积约20万m2的工房、办公楼、食堂和职工宿舍等建筑供暖。引风机1台，全压3 695 Pa～2 811 Pa，流量62 888 m2/h～92 540 m2/h，配用功率110 kW电动机，鼓风机1台，全压1 741 Pa～1 160 Pa，流量27 806 m2/h～53 340 m2/h，配用功率45 kW电动机。炉排电磁调速电机1台，1.5 kW。循环泵3台，两用一备，流量400 m3/h，扬程50 m，配用功率75 kW电动机。定压泵2台，一用一备，流量400 m3/h，扬程50 m，配用功率7.5 kW电动机。供暖系统每年运行时间大致是当年11月1日～次年3月31日，24 h运行，平时以低负荷运行为主，12月下旬～次年2月上旬为采暖高峰期，系统必须以高负荷运行。锅炉设计时鼓、引风机等辅机的容量必须根据锅炉最大热负荷选定，且留有10%～20%的设计余量。无论锅炉运行在什么状态，鼓、引风机是采用风门调节风量方式运行，在高负荷工况下，风机的风门开度仅为40%～50%，就足以满足锅炉对送、引风量的要求。在节流过程中，风机的特性曲线不变，转速不变，仅仅依靠关小风门，人为增加管道阻力来减小风量。风门开度减小，阻力损失相应增加，但系统输入功率并无减小。风机长期处于高速、大负载下运行，消耗电能大，维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大。循环泵也是根据锅炉最大热负荷选定的，也可以说是根据锅炉可供额定采暖面积所需流量选定的，且留有10%～20%的设计余量。循环水泵工作在工频状态时，水泵的出口阀门(蝶阀)开度在30%状态，水泵的电机电流刚好达到额定电流。阀门再开大一点，水泵的电机电流就超过了额定电流。所以，水泵的出口阀门(蝶阀)只能打开30%状态，这时，水泵的流量并未达到额定流量，而扬程都被水泵的出口阀门所阻拦，能量被白白浪费掉了。而且鼓、引风机和循环泵均是Y—Δ启动方式，电机的启动电流是期额定电流的3倍～4倍，在这样大的电流冲击下，造成控制回路元器件的寿命减短，增加了运行费用，同时对电网也有一定的冲击。

3 锅炉供热系统的变频节能原理

我们知道风机、水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，流量Q与转速N的一次方成正比，风压H与转速N的平方成正比，轴功率P与转速N的三次方成正比，即以下数学关系成立:N1/N2∝Q1/Q2，H1/H2∝(N1/N2)2，P1/P2∝(N1/N2)3。

由上式可知，当流量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率将下降到额定功率的51.2%，如果流量下降到60%，轴功率可下降到额定功率的21.6%。这为实施变频节能技术改造提供了理论依据。综上所述得出如下结论:改变风机、水泵的转速就可以改变该设备的功率。例如:将供电频率由50 Hz降为40 Hz，则 P40/P50=403/503=0.512，即 P40=0.512P50(P 为电机功率)。当然还需要考虑由于转速降低引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等。即使这样，这个节能数字也是很可观的，因此，在装有风机水泵的系统中，采用转速控制方式来调节风量或流量，在节能上是个有效的方法。

4 节能改造方案

1)锅炉系统改造方案是使用原有的操作台和工频起动柜，并新增引、鼓风机变频起动柜，与原工频起动柜互为备用、自由切换。工频、变频的切换通过交流接触器实现。引风变频调节除设置手动控制功能外，还设置自动控制功能，通过智能调节器对炉膛负压进行自动控制，以提高锅炉运行的安全性，见图1，图2。鼓风变频调节只设置手动操作器。变频器选用深圳英威腾CHF100系列产品;按钮、指示灯、中间继电器等选用施耐德产品;断路器、接触器、互感器、电流表等选用正泰产品;智能调节器、智能手操器选用厦门宇电产品;差压变送器选用威尔泰公司(上海公司)产品，见图3，图4。

图1 引风机主回路原理图

图2 引风机变频控制二次回路原理图

2)循环系统改造方案使用新增循环泵变频起动柜，与原工频起动柜互为备用、自由切换。工频、变频的切换通过交流接触器实现。每台水泵都是独立的启动、控制系统。变频器选用深圳英威腾CHF100系列产品;按钮、指示灯、中间继电器等选用施耐德产品;断路器、接触器、互感器、电流表等选用正泰产品;智能调节器选用厦门宇电产品;压力变送器选用威尔泰公司(上海公司)产品。循环泵主回路及变频控制二次回路原理图与引风机相同，就不再赘述。

图3 鼓风机主回路原理图

图4 鼓风机变频控制二次回路原理图

5 改造后的效果

本系统通过使用变频技术改造后，锅炉引风机一般工作在额定转速70%左右，鼓风机工作在额定转速40%左右，最冷的时候锅炉引风机工作在额定转速80%左右，鼓风机工作在额定转速50%左右，循环泵转速工作在额定转速70%左右。通过一年的运行，全年用电量由2009年的120万度降至47.3万度，节电率达60.5%，节约电费支出72.7 ×0.52=37.8 万元。由于使用了变频自动调速技术，锅炉运行的稳定性和安全性得到提高，配风更为合理，燃烧更为充分，提高了锅炉的热效率，从而降低了耗煤量，在一个采暖期内节约耗煤250 t，节约煤费250×800=20万元。节能效果明显，当年收回改造成本，达到预期目的。由于使用了变频技术，消除了原来Y—Δ启动方式大电流对电网和设备的冲击;由于设备运行在较低转速状态下，电机的噪声、升温及振动都大大减少，机械部件的磨损降低，电器故障也比原来降低，设备的使用寿命得到相应延长。由于本系统自动化程度的提高，操作工的工作环境得到改善，劳动强度得到降低，更体现了企业“以人为本”的管理理念。

［1］ 郭克芬.浅谈无负压变频恒压供水［J］.山西建筑，2011，37(3):129-130.