锅炉节能系统中变频技术的应用

周小博

（广东省特种设备检测研究院 湛江检测院，广东 湛江 524022）

0 前言

变频调速技术是现代调速技术中最理想的一种，随着科技的发展，变频调速技术已具备了在工业领域推广的条件。传统的锅炉电控系统是以继电器、接触器等硬连接为基础的，技术上比较落后，直接影响锅炉运行的可靠性和节能。本文提出了一种以电机变频调速装置为主要执行机构的新型控制系统，可节省大量电气元件，通过借助于交流电机变频调速技术实现锅炉的能耗降低。

1 变频技术的原理及优势

1.1 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

n=60f（1-s）/p，

式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数。通过改变电流频率以达到改变电机转速的目的，使机电设备能够达到无级调速。变频技术能够实现对电机的平稳、自动加减速控制，提高电机的工作效率并减小能源消耗。变频器的电路通常分为四个部分，包括整流、直流、逆变和控制部分，各个部分相辅相成，共同控制着电机的工作，共同实现对设备转速的自动、节能、高效控制。

1.2 变频技术的主要优势

1.2.1 调速效率高：变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行。基本上保持额定转差率，转差损失不增加。变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失以及高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。总之，变频调速是一种高效调速方式。

1.2.2 调速范围宽：一般可达10：1或20：1，并在整个范围内均具有较高的调速装置效率，所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于低转速状态下运行的负载。

1.2.3 操作简便，例如风机由原来8分钟至10分钟启动完成，变频后只在1分钟内风机就可以正常运行。同时风门能随风机一起自动开启。

2 锅炉的燃烧控制

锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是使燃烧热量适应负荷的需要，同时还要保证锅炉安全经济运行。因此可利用变频器输出的控制信号控制给煤量，通过调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在最佳燃烧状态。同时引入烟气含氧量参数，自动调整风煤比，保证锅炉的经济燃烧，提高热效率。

变频器采集炉膛负压传感器的测量值，利用内置调节功能自动对锅炉引风机转速进行控制，以维持炉膛负压的稳定。压力控制器的输出直接调节引风机在转速(不是直接控制给煤量)，而引风量的变化将导致炉膛负压的变化，通过负压前馈控制调节鼓风机的转速，经PLC运算出鼓风量的大小。由于送煤量与炉排转速成正比，鼓风量与送煤量成正比，因此，可换算出炉排转速，达到最佳风煤配比及最佳燃烧效果。以往人工调节时，负压忽大忽小，难以掌握，负压过大则使漏风损失和排烟热损失加大，增加引风机电耗；负压过小，则炉膛正压向外喷火，生产不安全而且污染环境。采用变频器闭环控制后，引风机的转速自动跟踪炉膛负压的变化，做到精确控制。

3 变频调速器的节能控制

通过流体力学原理可知，风量与电机转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，风量与压力之积为负载功率。因此带动风机的交流电动机的功率与转速的三次方成正比。所以，当风机转速降低时，电动机功率会成立方比下降，节能效果明显。

在本系统中，变频器起到执行机构的作用。通过调节转速来改变给水量、鼓风量、引风量、给煤量。下面通过图1分析一下调速改变流量的节能原理。

图1 变频器控制的风压与风量曲线图

如图1中，曲线(1)为风机在恒定转速n1下的风压一风量(H-Q)特性；曲线2为管网风阻特性(风门全开)。假设风机工作在A点效率最高，此时风压为H2，风量为Q1，轴功率为N1与Q1、H2的乘积成正比，在图3中可用面积AH2OQ2表示。如果生产工艺要求，风量需要从Q2减至Q1，这时用调节风门的办法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线3，系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行。从图1中看出，风压H1反而增加，轴功率与面积BH1OQ1成正比。显然，轴功率下降不大。如果采用变频器调速控制方式，风机转数由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，则转数n2风量(Q-H)特性如曲线4所示。可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3随着显著减少，用面积CH3OQ1表示。节省的功率△N=(H1-H3)×Q2，用面积BH1H3C表示。[1]

采用变频器进行调速，当风量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率N将下降到额定功率的51.2%，如果风量下降到60%，轴功率N可下降到额定功率的21.6%，当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等，即使这样，这个节能数值也是很可观的。

4 结论

综上所述，通过变频技术对锅炉控制调节系统的改造，具有以下特点：

4.1 可以直观而集中地显示锅炉的各运行参数，能快速计算出正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压等参数值；

4.2 延长电机及其它设备的寿命，降低维护成本。可实现软起动,起动电流平稳上升，对用电系统和电机、机械无启动冲击，可避免大功率电机启动时的冲击力矩对风机电机的损坏；

4.3 可实现无级调速，调节精度高，可以使锅炉的运行参数得到改善，提高了锅炉运行的效率；

4.4 通过全自动控制引、送风比例来调节烟气中氧的含量，使锅炉能够燃烧完全，减少了环境污染，取得良好的运行效果和经济效益。

［1］郑效文，宋立强，崔佳.变频调速技术在污水处理厂的应用[J].变频器世界，2006,11(9):100-103.