锅炉改造中应用变频器的节能效果

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摘要 本文介绍了变频器用于引风机进行变频调速的工作原理，对一个具体案例的改造效果及节能效益进行分析。

关键词 风量调节；变频器；调速；节能效果

中图分类号TK22 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0029-02

1 概述

风机水泵是应用量大、应用面广的通用机械，与风机水泵配套用得电动机约占电动机总容量的一半，其用电量约占全国耗电量的30%，因此搞好风机水泵的节能，使这些传动电动机处于经济运行状态，挖掘电力潜力，对国民经济的发展具有重要意义。

一般使用的风机、水泵，选用的设备额定风量流量，都是根据工艺要求中出现的最大负荷来确定容量，通常都超过实际需要的风量流量，所以存在着“大马拉小车”的现象。锅炉的引风机、鼓风机和二次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能的浪费。

又因为工艺要求需要在运行中变更流量风量。而目前，采用挡板或阀门来调节风量的节流调节方式应用较普遍，虽然方法简单，但实际上是通过人增加阻力的办法达到调节流量的目的。这种节流调节方法浪费大量电能，回收这部分电能损耗会收到很大的节能效果。基于这种情况，本文提出采用变频调速技术控制锅炉引风机电机，极大地改善了工艺操作人员工作条件，改善了风机设备的起动性能，实现了无级调速，可以节约35%左右的电能，从而达到了节能降耗、减少设备噪声污染的目的。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。

2 风机水泵采用变频调速的节能原理

从流体力学原理知道，风机风量与转速及电机功率的关系，用下述关系式表示：

Q1/Q2=N1/N2，H1/H2=(N1/N2)2 P1/P2=(N1/N2)3

式中，Q代表风量，H代表风压，P代表轴功率，N代表转速。

当风量减少风机转速下降时，其电动机也随输入功率迅速降低。例如风量下降到80%，转速也下降到80%时，其轴功率则下降到额定功率的51%（（0.8）3）；若风量下降到50%，轴功率下降到额定功率的13%（（0.5）3）。当然还需要考虑由于转速降低引起效率下降及附加控制装置的效率等的影响。即使这样，其节能潜力也是很大的。

上述原理也基本适用于水泵。因此，对风量流量调节范围较大的风机水泵，采用调速控制来代替风门或阀门调节，是实现节能的有效途径。

风机水泵的原动机大多是交流异步电动机，异步电动机的调速方法有很多种，近年来，由于电子技术、大功率半导体器件、大规模集成电路以及计算机技术的发展，使得变频调速越来越广泛地应用于交流电动机的调速和节能方面。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）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术、电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

改造前风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。风机类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，利用变频器易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。

3 用变频调速器改造锅炉及其节能效果

齐齐哈尔化工厂生产过程中的蒸汽用量变化比较大，小流量时每小时用汽量只有1吨多，大流量时用汽量达到4.8t/h~5.5t/h，由于用汽量变化比较大，风量和进煤量就需要经常调节，而该厂锅炉的操作室远离鼓、引风机，操作十分不方便，也不可能调节得当，风量调节过大，空气含氧量超标，浪费了热能；风量调节过小，煤渣残留碳份达标，必须对风量进行有效调节，调节方式必须方便、灵敏、可靠。过去，风量的调节是通过调节风门的大小来实现的，这种调节方式不管是采用人工调节还是采用自动化仪表的执行机构调节，都有相当部分电能转化为机械能消耗在风门的阻力上，无法达到节能的目的。

为了提高锅炉风量的控制水平，又能达到节电的效果，化工厂采用了变频调速方式对风量进行调节，改造对象包括锅炉鼓风机（22kW）、引风机（15kW）、和炉排电机（3.7kW）变频采用SB12森兰变频器，风压设定通过变频器的输人端子设定；压力传感器将压力信号传送给变频器；变频器通过预编程序进行运算，对应不同压力输出控制信号，从而控制电动机使风机改变转速来调节炉膛风压，炉膛内风压通过风压传感器将信号传送给变频器，实现自动控制。在变频状态下，应用变频器改变风机电机输入电压的频率，从而控制电机的转速。电机的转速可以用下面公式表示：

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）改造工作于2010年初进行，经过半年多时间实现正常运行，效益十分显著。下面通过未使用变频器的2009年7月份的情况与使用了变频器的2010年7月份的 情况比较，可以看出使用变频调速技术的节能效果。

3.1 节能效果

从表1可以看出，使用变频器调节风机后，每吨蒸汽可节电5kW・h，吨蒸汽耗电量下降38.5%（这是综合节电率，如果是单机计算，引风机、鼓风机单机耗电节电率还不止这个数字），全月共节电=13.14×1651.5-13480=8220.71kW・h，全年蒸汽总耗量18 720.85t（2010年数据），以此推算，全年可节电93 604.45kW・h，若电价按0.8元/kW・h计算，每年可节电74 883元，所以变频器应用在锅炉风机上，特别是在需要经常调节的工作状况下，节能效果是明显的。

对比时间 全月蒸汽产量（t） 锅炉全月总耗电量（kW・h） 每吨蒸汽耗电（kW・h）

2009年7月 1602.55 21060 13.14

2010年7月 1651.5 13480 8.16

3.2 节煤效果

由于采用了变频调速器，可以使风量、风压实现无级调节，保证了锅炉能在较佳的燃烧状态下运行，每吨蒸汽的煤耗亦有下降，取得节煤效果，仍以同期数字对比：

对比时间 全月蒸汽产量（t） 全月耗煤量（t） 每吨蒸汽耗煤（kg） 每吨蒸汽节煤（kg）

2009年7月 1602.55 373.394 233 0

2010年7月 1651.5 336.906 204 29

从上表可见，每吨蒸汽耗煤减少29kg，吨蒸汽耗煤量下降12.5%，每月节煤为47.9t，经济效益极其显著。

4 减少了噪音污染

由于应用了变频调速技术，可以根据用汽量的变化，随时调整引风、鼓风机的电机转速，一般情况下，电机软起软停均运行于额定转速以下，风机的噪音也随之下降。根据黑龙江环保部门和计量部门的现场噪音测试对比，没使用变频器前风机房的噪音为94.5db，使用变频器后噪音下至80db，减少了噪音对环境的污染，对提高工业卫生水平起了一定的作用。

5 延长 鼓（引）风机的使用寿命，减少了维修费用

由于鼓、引风机及炉排电机长期在低于额定转速的状态下运行，电机及风机的轴承不易损坏，延长了使用寿命，电机发热量也减少了。维修量下降，停机时间减少，节约了大量维修经费。

综上可见，变频调速技术在锅炉的技术改造中具有极大地应用潜力，经济效益非常可观。我国工业企业中中小锅炉用量很大，如都能进行变频改造，其社会效益、经济效益都是可观。另外，锅炉生产厂家如能在锅炉设计中考虑采用变频调速技术，既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此大大减少了设备维护、维修费用也将产生巨大的效益。

参考文献

[1]方大千主编.节能计算手册[M].北京：电力工业出版社，2006.

[2]森兰电机.SB12系列变频器操作说明书.