变频调速系统在工业锅炉燃烧过程中的应用

屈文斌，赵 政

（1.陕西工业职业技术学院，陕西咸阳，712000）

（2.中海兴业（西安）有限公司，陕西西安，710054）

锅炉是人民生产和生活中重要的供热设备，为机械、化工、电力、造纸、纺织等多个行业以及工业和民用取暖提供了大量的热能。目前我国已有中、小锅炉三十余万台，每年耗煤量约三亿余吨，是我国当今的耗能大户，锅炉在燃煤过程中将产生大量烟雾，也对生态环境造成了严重的破坏。因此，如何降低能耗，提高热效率，达到节能减排的目的，是锅炉控制系统亟待解决的问题。

1 锅炉控制系统的基本要求

1.1 锅炉控制系统的基本结构

锅炉控制系统是保证锅炉安全、稳定、经济运行及减轻工作人员劳动强度的主要设备，一般由锅炉本体、PLC、一次仪表、电机、上位机、自动与手动切换操作、执行机构及阀等几部分组成，锅炉的温度、流量、压力、转速、氧量等通过一次仪表量转换成变频器可以接受的电压、电流等信号送入锅炉控制系统。控制系统可以自动和手动操作，手动操作时工作人员手动控制变频器、滑差电机及阀等多个设备，自动控制时只需对微机发出控制信号就可以对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行。

1.2 锅炉燃烧自动控制系统的设计原则

为了满足负荷设备要求，保证锅炉运行的经济性与安全性，在工业锅炉控制系统的设计时，应遵循以下设计原则。

1.2.1 保持汽包水位范围

锅炉能否正常运行其中的一个主要指标——汽包水位，水位的高低影响着产生蒸汽的质量和汽水分离的速度，也是能否安全生产的重要参数。水位过高有可能引起汽水分离，蒸汽滞液，水位过低会阻碍汽水循环，甚至会使某些上水管里的水停滞流动，导致金属管壁一些地方过热甚至爆管，引发重大事故。因此，选用给水阀对汽包水位进行调节，将水位严格控制在合适范围内。

1.2.2 维持蒸汽压力范围

衡量负荷设备的蒸汽消耗量与蒸汽生产量是否平衡主要是通过蒸汽压力，蒸汽压力的高低不同，对金属导管和负荷设备会产生不同的影响。在锅炉运行过程中，压力降低，表明锅炉的蒸发量小于负荷的蒸汽消耗量，当压力过低，就不能提供负荷设备符合质量的蒸汽；压力升高，表明锅炉的蒸发量大于负荷蒸汽的消耗量，压力过高，使金属的蠕变加速，致使锅炉损坏。因此，将蒸汽压力控制在一定范围内，即保证了安全生产，又保证了燃烧的经济性。

1.2.3 维持炉膛负压范围

衡量引风量与送风量的适应性主要通过炉膛负压，负压过大，表明炉膛吸入冷风量多，引风机的电耗增大且大量热量被烟气带走；负压过小，炉膛容易向外喷火，即危及设备及操作人员安全，又影响环境卫生。为了避免以上情况的发生，必须将炉膛负压控制在一定范围内。

1.2.4 保证燃烧过程的经济性

锅炉的热效率主要取决于燃空比，必须使燃料量和空气量达到最佳配比，才能使锅炉热效率最高，达到节能降耗的目的。当空气不足时，燃料燃烧不充分，浪费了大量的能源；当空气过剩时，大量的热量又会被空气带走，降低了燃烧率。只有当燃料与空气量达到最佳配比，才能保证燃烧过程的经济性。

2 燃煤蒸汽锅炉燃烧过程系统控制的设计

工业锅炉按燃料的不同分为燃气、燃煤和燃油三种。这三种锅炉尽管燃料不同，燃烧量的调节手段有所区别外，燃烧过程的控制系统基本相同。对工业锅炉燃烧过程实现变频调速主要是通过变频器调节燃料进给量、送风机的送风量和引风机的引风量。本文主要介绍燃煤蒸汽锅炉燃烧过程系统控制的设计。

图1 为燃煤蒸汽锅炉燃烧控制过程系统原理图，图中，FIC为流量控制器，FT 为流量传感器，PIC 为压力控制器，PT 为压力传感器。送风回路由FIC1、FT1 和变频器1 组成。由于煤的燃烧需要一定的空气，所以要使锅炉达到最佳燃烧过程，就必须使煤量和风量保持一定的比例，这主要靠变频器1 调节送风转速来实现。引风机控制回路由PIC2、PT2 和变频器2 组成，主要是用来控制炉膛负压的，如果炉膛负压过小，炉膛容易向外喷火，可能危及设备和操作人员的安全，若果负压过大，炉膛漏风量增大，不仅引风机的电耗增加了，烟气也会带走大量的热量，所以在锅炉运行时要保持炉膛负压在-20～-40Pa 的范围内。给煤量控制回路由PIC、PT、PIC3、PT3、FIC3、FT3 及变频器3 组成。锅炉在运行时，锅炉燃烧的发热量直接由蒸汽压力和蒸汽生产量反映出来，在保持最佳燃烧的情况下，当煤的进给量发生变化，蒸汽的生产量也会随之改变。因此，通过变频器3 调节给煤机的转速，就可以调节给煤量，进而达到控制蒸汽生产量的目的。

图1 燃煤蒸汽锅炉燃烧过程系统原理图

3 变频调速节能原理及燃烧过程中工作原理

3.1 节能原理

根据流体力学原理可以得到风机风量、风压、电机轴功率与转速之间的关系如式（1）所示：

从式（1）可以看出当转速下降时风量与它成正比下降，风压与它成平方关系下降，功率与转速成立方关系下降，这也表明转速降低一点，功率会降低很多，节能效果非常明显。

3.2 工作原理

考虑到煤在燃烧过程中需要一定的氧气量，且要使煤充分燃烧必须使煤和氧气保持一定的比例，这就要求送风量和给煤量保持一定比例。同时，考虑到降低烟气带走的热量，这就要求炉膛负压保持在一定范围内，达到既不形成较大的漏风，又不向外喷火。图3 为锅炉燃烧控制系统框图。

图2 燃煤蒸汽锅炉燃烧过程系统设计框图

图3 锅炉燃烧控制系统框图

系统工作原理：当负载蒸汽量变化时，变化的汽包压力信号 输入主调节器，蒸汽流量 和主调节器的输出及蒸汽管压力的变化信号输入给煤量调节器，快速调节给煤量，以适应负载的变化。同时，给煤量调节器将负载变化的信号输入给送风量调节器，使送风量随给煤量变化而变化，以保持最佳的煤风比例。由于送风量调节器与引风负压调节器之间有动态补偿信号，因此，当送风量调节器动作时，引风负压调节器也同时动作，这样就保证了燃烧控制系统的协调动作，确保了合适的煤风比例和炉膛负压。送风量调节器接收到风量反馈信号，快速反映送风量的变化，提高调节的稳定性，引风负压调节器接收炉膛负压反馈信号，快速做出调解，以起到静态时对炉膛负压的校正作用。

4 变频调速系统应用于工业锅炉的设计及功能特点

4.1 变频调速系统应用于工业锅炉的设计

从锅炉使用的安全性、节能、操作维护方便等几个方面考虑，变频调速系统应用于工业锅炉燃烧控制系统，就是将以前系统用的阀门开度控制信号转接到变频器上。这样，由于变频器输出的是频率，即速度信号，从式（1）可以看出，风机的风量与速度成正比，而速度反映时间要比阀门快，且速度控制精度和可靠性都高于阀门控制，同时从式（1）还可知速度与功率成立方关系，当速度下降，功率将成立方下降，大大节约了能量。

4.2 变频调速系统应用于工业锅炉的功能特点

4.2.1 采用变频器控制电机，在启动时不会产生瞬间大电流，避免了电流对电网的冲击，延长了设备的使用寿命。

4.2.2 采用变频器控制电机转速，替代传统的挡板调节，避免挡板在调节过程中失灵或调节不当，不仅降低设备的故障率，而且节约能源。

4.2.3 采用变频器控制，电机将工作在额定转速之下，减少了噪声对环境的影响。

总之，采用变频调速控制后，操作和控制更加方便，甚至可改变原有的工艺规范，从而提高整个设备的功能。

5 结束语

（1）节能。考虑到对于风机电机功率的设计一般留有裕量，传统的采用风门调节风量，调节精度差，浪费了大量的能源，将变频器技术应用在锅炉燃烧控制系统中，当电机在额定转速的75%运行时，理论上消耗的功率为额定功率的42.2%，除去机械损耗及电机铁损、铜损的影响，节能效果可达到50%。

（2）设备运行质量提高。由于变频器能够实现大的电动机软起、软停，起动及转速下降平滑，使机械磨损减小，降低了电动机的故障率，延长了设备的使用寿命，减少了停机、停炉事故的频繁发生，提高了设备利用率。

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