變頻技術(shù)在鍋爐供暖系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

李克忠 岳 勇

鍋爐供熱系統(tǒng)是現(xiàn)代企業(yè)和民用采暖系統(tǒng)中的主要設(shè)備，除消耗煤炭外，電能的消耗非常大，約占總耗能的20%。供熱系統(tǒng)中耗電的設(shè)備主要是鼓、引風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵等，而這些設(shè)備的容量是根據(jù)鍋爐最大熱負(fù)荷選定的，且留有一定的設(shè)計(jì)余量。在沒有調(diào)速的系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)、水泵在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，容易形成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成了能源的浪費(fèi)。結(jié)合某工業(yè)園區(qū)鍋爐供熱系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對其鼓、引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和循環(huán)水泵系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 鍋爐供熱系統(tǒng)簡介

鍋爐供熱系統(tǒng)一般由鍋爐及輔機(jī)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、循環(huán)泵站、管網(wǎng)系統(tǒng)和用戶散熱器組成。

工作原理:在供熱系統(tǒng)注滿軟化水至要求壓力后，啟動循環(huán)水泵。啟爐，煤在鼓、引風(fēng)機(jī)的輔助下，在爐膛中燃燒產(chǎn)生熱量，傳遞至上下鍋桶、水冷壁管、對流管中的水中，將常溫水加溫，通過循環(huán)水泵加壓經(jīng)管網(wǎng)系統(tǒng)送至用戶散熱器，由空氣傳導(dǎo)熱量從而達(dá)到采暖的目的。散熱后的熱水經(jīng)過管網(wǎng)的回水系統(tǒng)返回鍋爐中重新加熱。通過控制爐排行進(jìn)速度、煤層厚度和鼓、引風(fēng)的風(fēng)量達(dá)到控制鍋爐熱負(fù)荷目的，從而實(shí)現(xiàn)控制熱水出口溫度。通過定壓泵控制系統(tǒng)回水壓力，達(dá)到控制系統(tǒng)壓力。通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的出口閥門，達(dá)到控制循環(huán)水泵流量滿足供暖要求。燃燒產(chǎn)生的煙塵經(jīng)過除塵系統(tǒng)后，達(dá)到環(huán)保排放。

2 原系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及存在問題

某工業(yè)園區(qū)鍋爐供熱系統(tǒng)采用一臺南京鍋爐廠設(shè)計(jì)、制造的SZL14-1.25/130/70-AⅡ型鍋爐，鍋爐額定熱功率為14 MW，額定工作壓力為1.25 MPa，額定供水溫度為130℃，回水溫度為70℃，設(shè)計(jì)燃料為Ⅱ類煙。該鍋爐采用雙鍋筒縱向布置，燃燒設(shè)備采用輕型鏈帶式鏈條爐排，鍋爐整體布置采用組裝式，輕型爐墻。由于采用單系統(tǒng)循環(huán)，鍋爐實(shí)際供水溫度為70℃，回水溫度為40℃～50℃。它主要為園區(qū)建筑面積約20萬m2的工房、辦公樓、食堂和職工宿舍等建筑供暖。引風(fēng)機(jī)1臺，全壓3 695 Pa～2 811 Pa，流量62 888 m2/h～92 540 m2/h，配用功率110 kW電動機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)1臺，全壓1 741 Pa～1 160 Pa，流量27 806 m2/h～53 340 m2/h，配用功率45 kW電動機(jī)。爐排電磁調(diào)速電機(jī)1臺，1.5 kW。循環(huán)泵3臺，兩用一備，流量400 m3/h，揚(yáng)程50 m，配用功率75 kW電動機(jī)。定壓泵2臺，一用一備，流量400 m3/h，揚(yáng)程50 m，配用功率7.5 kW電動機(jī)。供暖系統(tǒng)每年運(yùn)行時(shí)間大致是當(dāng)年11月1日～次年3月31日，24 h運(yùn)行，平時(shí)以低負(fù)荷運(yùn)行為主，12月下旬～次年2月上旬為采暖高峰期，系統(tǒng)必須以高負(fù)荷運(yùn)行。鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)鼓、引風(fēng)機(jī)等輔機(jī)的容量必須根據(jù)鍋爐最大熱負(fù)荷選定，且留有10%～20%的設(shè)計(jì)余量。無論鍋爐運(yùn)行在什么狀態(tài)，鼓、引風(fēng)機(jī)是采用風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量方式運(yùn)行，在高負(fù)荷工況下，風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開度僅為40%～50%，就足以滿足鍋爐對送、引風(fēng)量的要求。在節(jié)流過程中，風(fēng)機(jī)的特性曲線不變，轉(zhuǎn)速不變，僅僅依靠關(guān)小風(fēng)門，人為增加管道阻力來減小風(fēng)量。風(fēng)門開度減小，阻力損失相應(yīng)增加，但系統(tǒng)輸入功率并無減小。風(fēng)機(jī)長期處于高速、大負(fù)載下運(yùn)行，消耗電能大，維護(hù)工作量大，設(shè)備壽命低，并且運(yùn)行現(xiàn)場噪聲大。循環(huán)泵也是根據(jù)鍋爐最大熱負(fù)荷選定的，也可以說是根據(jù)鍋爐可供額定采暖面積所需流量選定的，且留有10%～20%的設(shè)計(jì)余量。循環(huán)水泵工作在工頻狀態(tài)時(shí)，水泵的出口閥門(蝶閥)開度在30%狀態(tài)，水泵的電機(jī)電流剛好達(dá)到額定電流。閥門再開大一點(diǎn)，水泵的電機(jī)電流就超過了額定電流。所以，水泵的出口閥門(蝶閥)只能打開30%狀態(tài)，這時(shí)，水泵的流量并未達(dá)到額定流量，而揚(yáng)程都被水泵的出口閥門所阻攔，能量被白白浪費(fèi)掉了。而且鼓、引風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵均是Y—Δ啟動方式，電機(jī)的啟動電流是期額定電流的3倍～4倍，在這樣大的電流沖擊下，造成控制回路元器件的壽命減短，增加了運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)對電網(wǎng)也有一定的沖擊。

3 鍋爐供熱系統(tǒng)的變頻節(jié)能原理

我們知道風(fēng)機(jī)、水泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性滿足流體動力學(xué)關(guān)系理論，流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速N的三次方成正比，即以下數(shù)學(xué)關(guān)系成立:N1/N2∝Q1/Q2，H1/H2∝(N1/N2)2，P1/P2∝(N1/N2)3。

由上式可知，當(dāng)流量下降到80%時(shí)，轉(zhuǎn)速也下降到80%，而軸功率將下降到額定功率的51.2%，如果流量下降到60%，軸功率可下降到額定功率的21.6%。這為實(shí)施變頻節(jié)能技術(shù)改造提供了理論依據(jù)。綜上所述得出如下結(jié)論:改變風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速就可以改變該設(shè)備的功率。例如:將供電頻率由50 Hz降為40 Hz，則 P40/P50=403/503=0.512，即 P40=0.512P50(P 為電機(jī)功率)。當(dāng)然還需要考慮由于轉(zhuǎn)速降低引起的效率降低及附加控制裝置的效率影響等。即使這樣，這個(gè)節(jié)能數(shù)字也是很可觀的，因此，在裝有風(fēng)機(jī)水泵的系統(tǒng)中，采用轉(zhuǎn)速控制方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，在節(jié)能上是個(gè)有效的方法。

4 節(jié)能改造方案

1)鍋爐系統(tǒng)改造方案是使用原有的操作臺和工頻起動柜，并新增引、鼓風(fēng)機(jī)變頻起動柜，與原工頻起動柜互為備用、自由切換。工頻、變頻的切換通過交流接觸器實(shí)現(xiàn)。引風(fēng)變頻調(diào)節(jié)除設(shè)置手動控制功能外，還設(shè)置自動控制功能，通過智能調(diào)節(jié)器對爐膛負(fù)壓進(jìn)行自動控制，以提高鍋爐運(yùn)行的安全性，見圖1，圖2。鼓風(fēng)變頻調(diào)節(jié)只設(shè)置手動操作器。變頻器選用深圳英威騰CHF100系列產(chǎn)品;按鈕、指示燈、中間繼電器等選用施耐德產(chǎn)品;斷路器、接觸器、互感器、電流表等選用正泰產(chǎn)品;智能調(diào)節(jié)器、智能手操器選用廈門宇電產(chǎn)品;差壓變送器選用威爾泰公司(上海公司)產(chǎn)品，見圖3，圖4。

圖1 引風(fēng)機(jī)主回路原理圖

圖2 引風(fēng)機(jī)變頻控制二次回路原理圖

2)循環(huán)系統(tǒng)改造方案使用新增循環(huán)泵變頻起動柜，與原工頻起動柜互為備用、自由切換。工頻、變頻的切換通過交流接觸器實(shí)現(xiàn)。每臺水泵都是獨(dú)立的啟動、控制系統(tǒng)。變頻器選用深圳英威騰CHF100系列產(chǎn)品;按鈕、指示燈、中間繼電器等選用施耐德產(chǎn)品;斷路器、接觸器、互感器、電流表等選用正泰產(chǎn)品;智能調(diào)節(jié)器選用廈門宇電產(chǎn)品;壓力變送器選用威爾泰公司(上海公司)產(chǎn)品。循環(huán)泵主回路及變頻控制二次回路原理圖與引風(fēng)機(jī)相同，就不再贅述。

圖3 鼓風(fēng)機(jī)主回路原理圖

圖4 鼓風(fēng)機(jī)變頻控制二次回路原理圖

5 改造后的效果

本系統(tǒng)通過使用變頻技術(shù)改造后，鍋爐引風(fēng)機(jī)一般工作在額定轉(zhuǎn)速70%左右，鼓風(fēng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速40%左右，最冷的時(shí)候鍋爐引風(fēng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速80%左右，鼓風(fēng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速50%左右，循環(huán)泵轉(zhuǎn)速工作在額定轉(zhuǎn)速70%左右。通過一年的運(yùn)行，全年用電量由2009年的120萬度降至47.3萬度，節(jié)電率達(dá)60.5%，節(jié)約電費(fèi)支出72.7 ×0.52=37.8 萬元。由于使用了變頻自動調(diào)速技術(shù)，鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性得到提高，配風(fēng)更為合理，燃燒更為充分，提高了鍋爐的熱效率，從而降低了耗煤量，在一個(gè)采暖期內(nèi)節(jié)約耗煤250 t，節(jié)約煤費(fèi)250×800=20萬元。節(jié)能效果明顯，當(dāng)年收回改造成本，達(dá)到預(yù)期目的。由于使用了變頻技術(shù)，消除了原來Y—Δ啟動方式大電流對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊;由于設(shè)備運(yùn)行在較低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，電機(jī)的噪聲、升溫及振動都大大減少，機(jī)械部件的磨損降低，電器故障也比原來降低，設(shè)備的使用壽命得到相應(yīng)延長。由于本系統(tǒng)自動化程度的提高，操作工的工作環(huán)境得到改善，勞動強(qiáng)度得到降低，更體現(xiàn)了企業(yè)“以人為本”的管理理念。

［1］ 郭克芬.淺談無負(fù)壓變頻恒壓供水［J］.山西建筑，2011，37(3):129-130.