变频技术在锅炉控制中的应用

锅炉作为能源转换的重要设备，在电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等行业，以及民用采暖中都占据着重要的角色，根据生产负荷需求，锅炉要随时调整生产状态，改变供热量的多少。用户在选配风机和水泵时，都是根据工艺要求中出现的最大负荷来确定容量，所以存在“大马拉小车”现象，而且锅炉的引风机和鼓风机的风量是通过调节风门大小来实现的，而用来带动风机和泵的电动机的转速是不可调节的，因此造成大量的调节损失和电量的浪费。基于这种情况，本文提出一种锅炉控制系统，采用变频调速技术控制锅炉生产设备，极大地改善了操作员生产条件，改善了风机设备的起动性能，实现了无级调速，而且节约了35左右的电能，从而达到节能降耗、减少设备噪声污染的目的。

1风机类负荷变频调速节能原理

风机是将电动机的轴功率转变为流体的设备。过去很少采用转速控制的方法，多是由鼠笼式异步电机拖动进行恒速运转，当需要改变流量时，调节节流阀和挡板，这种方法虽然控制简单，但节能较差，不经济，动态跟踪性能也很差。变频调速节能是相对于阀门调节而言，采用变频调速器后，将阀门全开，通过改变电机电源频率的方法来改变电机转速。由流体力学可知，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，功率P与转速n的立方成正比，即：
Q=Q_e×（n/n_e）,H=H_e×（n/n_e）²,P=P_e×（n/ne）³
式中，Q_e为风机的额定流量，H_e为风机的额定压力，P_e为风机的额定功率，n_e为风机的额定转速。
由上面的公式可知，调节风机流量时，可通过转速进行调节，此时风机轴输出功率与转速的立方成正比。根据风机系统特性曲线（如图1）加以分析。

假定风机最佳效率工作点是A点，当需减少风机的供风量时，采用传统的风门调节方式，增加系统阻力来满足要求，使风机工作点由A点转移到B点。这种方法不但不能节能，反而会加快风机的效率损耗，同时低效运行会引起较高的空气和结构振动，产生噪声及有损设备。采用变频调速技术后，通过变频调速，降低异步电机的转速，使系统重新达到平衡，工作点由A点转移到C点。从C点可看出，电机转速虽然降低了，但对风机效率影响不大。根据上述原理，当风机流量在较大范围内发生变化时，采用变频调速对风机转速加以控制，将会取得非常显著的节能效果。风机流量、转速、轴功率及电源频率关系如表1所示。

2系统方案实现

锅炉控制系统构成如图2所示。测控组件完成锅炉生产参数的检测及控制，根据设定锅炉出水温度来改变炉排变频频率，同时改变鼓风变频频率，通过改变引风变频频率来保证炉膛内微负压状态。

图2系统组成

此锅炉控制系统在抚顺某供热工程项目中得到了成功应用，整个供热系统由一台40t/h和两台20t/h热水锅炉组成，系统采用罗克韦尔PowerFlex系列产品，共用15台总装机容量为1166KW的变频器，分别控制3台锅炉引风、鼓风、炉排、循环泵、补水泵和除渣电机，PLC与各台变频设备的组合应用如图3。

其中，引风、鼓风、炉排变频有两种操作方式——本地控制和中央控制。正常情况下，操作员在主控室操作，根据锅炉运行参数调节变频频率，实现远程控制，在上位机可观测到各台变频器的工作状态和运行参数。出现紧急情况时，为更好地了解现场情况，操作员可以在变频间操作。当采用自动控制时，PID回路能根据设定值自动进行调节控制，使系统的出水温度、出水压力及炉膛压力等保持在预定值。

3节能效果评估

以抚顺某供热工程为例，从系统报表可以得出系统平均轴功率输出在50以下，保守计算，我们按35的节电比率来计算，那么，系统在一个采暖期内（按五个月计算）节电量为：
1166kW×35×24×30×5=1,469,160kWh
按电价0.50元来计算，一个采暖期节约电费为：1469160×0.50=734,580元。

图3PLC与变频器的组合应用

风机通过应用变频调速技术后，改变了原有的操作方式，实现了远程控制，能够有效地调节锅炉生产过程，使系统运行稳定，保持风机高效运转，电机实现了软启动，无冲击电流，设备故障率大大降低，维修费用大为减少。

系统应用变频调速技术，在大大节约电能的基础上，使长期轻载运行的风机、泵工作在低转速、低电压的状态下，这样就使电机发热少、温升低，延长了使用寿命。变频调速技术也提高了功率因数，使电网损耗减少，效率提高，同时降低了风机噪音，改善了生产环境。另外变频器自我检测、故障诊断、保护功能齐全，可有效地防止事故扩大化。

4结束语

本文所提出的锅炉控制系统，利用变频技术实现了锅炉生产设备及系统的自动控制，由于其节能、降耗、技术先进、控制方便，是产品更新换代、企业设备改造的重要途径。

参考文献

[1>车运慧.变频调速技术在聚氯乙烯干燥系统上的应用.装置与设备.2002（6）
[2>许艳.鼓风机变频节能系统改造.佛山陶瓷.2005（9）