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隨著(zhù)城市建設的迅速發(fā)展，我國北方地區冬季城市集中供暖成為城市現代化必然采取的步驟。而供暖面積的不斷擴大，使如何科學(xué)有效地控制和管理供暖系統，提高供暖的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，成為急需解決的重要課題。在供暖系統中，鍋爐房供暖所占比例很大，據對我國北方地區29個(gè)大中城市近3.5億平方米的供暖調查，鍋爐供暖占84%，熱力供暖占12%，其他供暖占4%。在今后相當長(cháng)的時(shí)間內，集中熱力供暖是發(fā)展趨勢，但無(wú)法取代鍋爐供暖的主流地位。 對于供暖鍋爐來(lái)講，主要的能源消耗就是煤的消耗和電能的消耗，因此怎樣提高煤的燃燒效率和電能的利用效率成為企業(yè)節能降耗的重要方式和途徑。 1 鍋爐供暖系統的原理分析 在鍋爐供暖系統中，主要有風(fēng)量調節風(fēng)機，循環(huán)水泵，給煤電機等用電設備。其中風(fēng)機主要調節進(jìn)風(fēng)量的大小，風(fēng)量調節過(guò)大，空氣含氧量超標，那就浪費了熱能，風(fēng)量調節過(guò)少，煤渣殘留碳粉過(guò)多，又浪費了煤。因此為提高控制水平，保證空氣含氧量和煤渣殘留碳粉達標，必須對風(fēng)量進(jìn)行有效調節，調節方式必須方便，靈敏，可靠。以往調節風(fēng)量的大小都是通過(guò)調節風(fēng)門(mén)的開(kāi)度來(lái)實(shí)現的，這種方式不論是人工調節還是機械自動(dòng)化儀表調節都有相當一部分的電能轉換機械能消耗在風(fēng)門(mén)的阻力上，無(wú)法達到節能的目的。 由于供暖鍋爐系統中的風(fēng)機、水泵負載轉矩與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比，采用交流變頻調速控制風(fēng)機、水泵流量代替傳統閥門(mén)、擋板控制流量，可以大大節省該類(lèi)負載的驅動(dòng)電機的耗電量，達到節能的目的，如果普遍采用交流變頻調速，平均節電率在30%左右。用變頻器啟動(dòng)風(fēng)機、水泵等電動(dòng)機，由于變頻器內部具有矢量轉矩控制技術(shù)，保證了電機良好的啟動(dòng)性能，實(shí)現電機軟啟動(dòng)，有效地限制了電機的啟動(dòng)電流，明顯降低電機啟動(dòng)噪聲。同時(shí)，電機的軟啟動(dòng)避免了頻繁的工頻啟動(dòng)對風(fēng)機、水泵等大電機的沖擊，有效地保護設備，延長(cháng)設備使用壽命。 目前，隨著(zhù)大規模集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一項成熟的交流調速技術(shù)。變頻調速器作為該技術(shù)的主要應用產(chǎn)品經(jīng)過(guò)幾代技術(shù)更新，己日趨完善，能夠適應較為惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，_目。能提供較為完善的控制功能，能滿(mǎn)足各種生產(chǎn)設一備異步電動(dòng)機調速的要求。變頻調速技術(shù)的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n=60 f(1-s)/P 其中n表示電機轉速； f為電動(dòng)機工作電源頻率； s為電機轉差率； P為電機磁極對數。 通過(guò)改變電動(dòng)機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交一直一交電源變換技術(shù)，集電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。 2 變頻調速在供暖鍋爐系統中的應用 由于變頻調速可以實(shí)現電機無(wú)級調速，具有異步電機調壓調速和串級調速無(wú)可比擬的優(yōu)越性，在鍋爐系統中得到廣泛的應用。變頻調速在供熱鍋爐系統中主要應用在風(fēng)機調速和水泵調速。通常在鍋爐燃燒系統中，根據生產(chǎn)需要對風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標進(jìn)行控制和調節以適應用戶(hù)要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節風(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度的大小來(lái)調整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風(fēng)門(mén)、擋板的節流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過(guò)程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產(chǎn)成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下。在供暖鍋爐系統中帶有循環(huán)泵、補水泵等水泵類(lèi)設備，根據不同的生產(chǎn)需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進(jìn)行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，管路、閥門(mén)等密封性能的破壞，還加速了泵腔、閥體的磨損和汽蝕，嚴重時(shí)損壞設備而影響生產(chǎn)。 目前，風(fēng)機、泵類(lèi)設備多數采用異步電動(dòng)機直接驅動(dòng)的方式運行，存在啟動(dòng)電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點(diǎn)。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現機械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護設備，時(shí)常出現泵損壞同時(shí)電機也被燒毀的現象。近年來(lái)，出于節能的迫切需要和對供暖質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調速器(簡(jiǎn)稱(chēng)變頻器)易操作、免維護、控制精度高，并可以實(shí)現高功能化等特點(diǎn)，因而采用變頻器驅動(dòng)的方案開(kāi)始逐步取代風(fēng)門(mén)、擋板、閥門(mén)的控制方案。用變頻器來(lái)對異步交流電動(dòng)機調速，是八十年代末迅速發(fā)展成熟的一項高新技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是：調速的機械特性好，調速范圍廣，調整特性曲線(xiàn)平滑，可以實(shí)現連續、平穩的調速，尤其當它應用于風(fēng)機、水泵等大容量負載時(shí)，可獲得顯著(zhù)的節能效果。 3 變頻調速節能分析 變頻調速應用于鍋爐系統的風(fēng)機和水泵等電機的自動(dòng)控制中，其節能效果明顯。本節將以風(fēng)機節能為例，詳細分析其節能效果。水泵的節能分析類(lèi)似，限于篇幅，不再贅述。由流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類(lèi)設備均屬平方轉矩負載，其轉速。與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。 圖1給出了風(fēng)機中風(fēng)門(mén)調節和變頻調速二種控制方式下風(fēng)路的壓力-風(fēng)量(H-Q)關(guān)系及功率一風(fēng)量(P一Q)關(guān)系。其中，曲線(xiàn)1是風(fēng)機在額定轉速下的H-Q曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2是風(fēng)機在某一較低速度下的H-Q曲線(xiàn)，曲線(xiàn)3是風(fēng)門(mén)開(kāi)度最大時(shí)的H-Q曲線(xiàn)，曲線(xiàn)4是風(fēng)機在某一較小開(kāi)度下的H-Q曲線(xiàn)�？梢钥闯�，當實(shí)際工況風(fēng)量由Qi下降到Qz時(shí)，如果在風(fēng)機以額定轉速運轉的條件調節風(fēng)門(mén)開(kāi)度，則工況點(diǎn)沿曲線(xiàn)1由A點(diǎn)移到B點(diǎn)；如果在風(fēng)門(mén)開(kāi)度最大的條件下用變頻器調節風(fēng)機的轉速，則工況點(diǎn)沿曲線(xiàn)3由A點(diǎn)移到C點(diǎn)。顯然，B點(diǎn)與C點(diǎn)的風(fēng)量相同，但C點(diǎn)的壓力要比B點(diǎn)壓力小得多。因此，風(fēng)機在變頻調速運行方式下，風(fēng)機轉速可大大降低，節能效果明顯。 曲線(xiàn)5為變頻控制方式下的p-Q曲線(xiàn)，曲線(xiàn)6為風(fēng)門(mén)調節方式下的p-Q曲線(xiàn)�？梢钥闯�，在相同的風(fēng)量下，變頻控制方式比風(fēng)門(mén)調節方式能耗更小，二者之差可由下述經(jīng)驗公式[}n]表示：ΔP=[0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3]Pe 其中Q為風(fēng)機運行時(shí)實(shí)際風(fēng)量； Qe為風(fēng)門(mén)開(kāi)度為最大，且電機運行在額定轉速時(shí)的風(fēng)量； Pe為風(fēng)門(mén)開(kāi)度為最大，且電機運行在額定轉速時(shí)的功率。 假設有一臺10t/h的熱水鍋爐： 引風(fēng)機：55kW，鼓風(fēng)機：22kW，共77kW 則由變頻調節與風(fēng)門(mén)調節相比較可知： 80%風(fēng)量時(shí)每小時(shí)節能 ΔP=[0.4+0.6Q /Qe-(Q/Qe)3]Pe=28.336kW 60%風(fēng)量時(shí)每小時(shí)節能 ΔP=[0.4+0.6Q /Qe-(Q/Qe)3]Pe = 41.888kW 如果按全年運行7000小時(shí)計算，其中80%風(fēng)量運行5000小時(shí)；60%風(fēng)量運行2000小時(shí)，則全年節能 5000 x 28.336+2000 x 41.888=225456 kW?h 由此可見(jiàn)，其節能效果非常顯著(zhù)。目前，變頻調速技術(shù)己逐漸為許多企業(yè)所認識和接受，隨著(zhù)這項技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它必將得到更加廣泛的應用，也必將為認識和接受它的企業(yè)帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益。 4 變頻調速在風(fēng)機水泵上應用節能原理 理論上風(fēng)機風(fēng)量(Q)，風(fēng)壓(H)與電機轉速(N)，電機的功率(P)成以下關(guān)系： Q1/Q2=N1/N2；H1/H2=(N1/N2)2，P1/P2=(N1/N2)3 當風(fēng)量減少電機轉速下降時(shí)，其電機輸入功率迅速降低。如風(fēng)量下降到80%，電機轉速也下降到80%，其電機的軸功率則下降到額定功率的51%；若風(fēng)量下降到50%，則電機軸功率則為實(shí)際功率的14%左右。因此節電潛力是很大的。這個(gè)道理同樣適合于供水的循環(huán)水泵。因此對風(fēng)量流量調節范圍很大的風(fēng)機水泵，采用調速控制取代風(fēng)門(mén)，閥門(mén)調節，是實(shí)現節能的有效途徑。 速度控制的方法很多，其中變頻調速近些年來(lái)越來(lái)越廣泛的在該領(lǐng)域得到應用：①效率高，沒(méi)有因調速帶來(lái)的附加轉差損耗；②調速范圍大，精度高，無(wú)級調速；③帶多種模擬量輸入輸出控制接口，容易實(shí)現協(xié)調控制和閉環(huán)控制；④由于采用V/F模式，特別適合于普通的鼠籠式電機配套使用，因此用此方法對舊設備改造，既保持了原電機的結構簡(jiǎn)單，可靠耐用，維護方便的優(yōu)點(diǎn)，又能達到節能顯著(zhù)的效果，是風(fēng)機水泵交流調速節電的較理想方法。 5 惠豐變頻器改造鍋爐及其效果 煙臺熱電廠(chǎng)熱力總公司1999年在對供熱管路循環(huán)水泵(160KW)和自備的一臺鍋爐進(jìn)行了變頻改造(鍋爐鼓風(fēng)機22KW，引風(fēng)機15KW，爐排電機3.7KW)，為提高鍋爐風(fēng)量的控制水平，又能達到節能的效果，決定用變頻調速方式對此進(jìn)行改造。針對160KW循環(huán)水泵，原來(lái)因水泵一直高速運轉，時(shí)間一長(cháng)，因平時(shí)軸承磨損較大，故障率較高，同時(shí)白天和晚上因溫度差異較大，供熱量也不同，需要通過(guò)人工調節閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調節熱水的供應量，很麻煩，同時(shí)造成了電能的浪費。公司決定對此也進(jìn)行改造。 (1) 節電效果： 由表可以看出，改用變頻調速后，每噸蒸汽接電5度，噸蒸汽耗電下降38.5%(綜合節電率)全月共節電=13.14*1651.5-13480=8220度，全年蒸汽總耗量18720噸，全年可節電93604度。 (2)節煤效果 由上表可以看出。每噸蒸汽減少用煤29公斤，噸蒸汽耗煤減少12.5%，每月節煤47.9噸。經(jīng)濟效益顯著(zhù)。 (3)對循環(huán)水泵的改造分析 在改造循環(huán)水泵時(shí)，采用了壓力傳感器檢測管網(wǎng)的壓力，通過(guò)PID調節給出模擬信號控制變頻器，變頻器給出一定的電壓和頻率給160KW的水泵，來(lái)調節泵的轉速和輸出功率，形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統來(lái)維持管網(wǎng)的壓力穩定。 改造后電機和泵的轉速可以根據所需壓力自動(dòng)降下來(lái)，軸承和其他機械部件維修量也大大降低，故障停機率下降64%。最關(guān)鍵的是通過(guò)這種方式能耗下降到了原來(lái)的57%，節能率達到43%，供熱穩定受到社區居民的好評。 總之，變頻調速以其高效率，低能耗，穩定性好在鍋爐供暖，水泵調速方面得到越來(lái)越多的應用，值得在社會(huì )各行各業(yè)推廣。 |
