浅谈热水供暖锅炉引风机变频运行改造

摘要：

本文对锅炉引风机运行现状进行了阐述，对变频调节的可行性进行经济技术分析，并对采用变频技术进行节能改造后给锅炉运行带来的效益进行了计算和分析。

关键词：

引风机 变频 可靠性经济性

正文：

物业公司在供水、供暖方面是一个耗能大户，每年在采暖期间耗电量达到300万KWH左右。在保证供水、供暖、供电安全的前提下，如何降低用电量达到节能降耗和降低生产成本。积极响应公司开展厉行节约，降本减费工作，针对东区锅炉房耗电设备：引风机、鼓风机、循环水泵等进行技术改造。本文仅针对引风机设备进行论述。

一、锅炉房的引风机在运行中普遍存在以下三个方面问题

1、电机效率低,国内产品比国外的效率约低5%～10%。

2、系统运行效率低。这是因为系统单机选型匹配不当、系数裕度过大和不合理的调节方式所造成。参数裕度过大由两方面造成：一是设计规范的裕度系数过大，“宽打窄用”；二是系统中单机选型过大，向上靠档、宁大勿小，大马拉小车。最终造成整套系统欠载运行的不合理匹配状况。

3、引风机都要用风门或闸阀来节流，增加了管网阻力，因此阻力损失相应增加，风机系统会浪费电能。在节流调节方式中，电动机、风机等长期处于高速、大负载下运行，维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪音大，影响工作环境。

4、异步电机在启动时启动电流一般达到电动机额定电流的6～8倍，起动冲击电流大，对电网冲击较大，容易造成机械设备损坏，并影响电动机的使用寿命。

5、引风机在低风量区存在“马鞍”型曲线，风机并联容易出现 “抢风”等问题，给锅炉的安全运行带来隐患。

东区锅炉房引风机单机容量为45KW,运行方式是降压起动。针对以上存在的问题有必要对引风机的调速可行性进行科学合理的分析和引风机系统进行技术改造，以求提高引风机系统能源利用率。

二、变频控制器在供暖锅炉房的应用技术

1、什么是变频？“变频”是相对“工频”而言的。“工频”是电源的固定频率，即50赫兹（HZ）.所谓变频，即频率可以变化，从0―50HZ，根据需要而改变频率的大小。 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？根据公式n = 60f/p(1-s) 。其中

n: 电机的转速 f: 电源频率 p: 电机磁极对数s：电机的转差率

电机的转速 = 60(秒)×频率（Hz)/电机的磁极对数 - 电机的转差率

电机的旋转速度同频率成比例，由电机的工作原理决定电机的磁极对数是固定不变的,所以不适合调节该值来调整电机的速度。频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

2、引风机负荷变频调速节能原理

引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=Qe×(n/ne), H=He×(n/ne)2, P=Pe×(n/ne)3

式中，Qe为风机的额定流量，He为风机的额定压力，Pe为风机的额定功率，ne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。根据引风机系统特性曲线(如图1)加以分析。

引风机系统特性曲线(图一)

假定引风机最佳效率工作点是A点，当需减少引风机的供风量时，采用传统的风门调节方式，增加系统阻力来满足要求，使引风机工作点由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。[1]风机流量、转速、轴功率及电源频率关系如表1所示。

3、变频器选配

离心引风机和罗茨引风机由于转矩特性不同，可选用不同类型的变频器。离心引风机属于平方转矩特性，可选用引风机水泵专用型变频器；罗茨引风机属于恒转矩特性，可选用通用型变频器。

变频器的容量可按比引风机高一个电流等级的原则选择。这种方法在很多时候是有所浪费的，因为在锅炉设计时引风机就留有一定的安全裕量，因此引风机很少工作在满负荷状态。为了节省投资，可选择比引风机实际最高工作电流略高等级的变频器。在有些厂甚至采用低一个电流等级的变频器的做法。不管怎么选型，都必须满足引风机的实际运行需要。如果对引风机的实际运行情况不是很了解，建议按比较保守的方法选型，这样有利于锅炉安全运行。

另外，变频器最好选配制动电阻。因为引风机减速时会产生回馈电压，如果减速过快则可能引起变频器输入侧过电压故障。

4、控制电路

下图为锅炉引风机变频器典型控制主电路，即实质是一个工频和变频之间的切换电路，K3的作用是防止电机工频运行。

锅炉引风机变频控制主电路（图二）

注意:变频工作时，电机停车应通过变频器的停车指令进行，不宜直接断开K2或K3。通过变频器自由停车，可将引风机中剩余的动能回馈给电网。若K2、K3同时断开，则有可能导致变频器炸机。[2]

5、炉膛负压自动控制

为了维持炉膛负压稳定，可增加一个PID控制回路。PID控制器根据炉膛负压变化，自动调整变频器频率输出，达到改变引风机风量，维持炉膛负压稳定的目的。

炉膛负压自动控制系统（图三）

现在大部分的变频器都具有PID的功能和模拟信号输入端，因此可以使用它们替代PID控制器，配合变频器的多功能输入端添加相关辅助电路，就可实现手自动切换、电位器设定速度等功能。某些具有PLC功能的变频器，则可实现更多的功能。

因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。其目的主要是为了节省电耗，同时还可以延长设备的使用寿命。因为转动的机械设备当其转速变化以后，其所需的功率就变小了，所以可以节省电耗。

另外，由于使用了变频器，每当设备启动时，可以从0开始慢慢地启动电机的电流，属于软启动。电压和频率在启动过程从零逐步增加，故启动电流比较低，对电网冲击小。

三、应用变频器技术，对东区锅炉四台引风机的运行方式进行技术改造。采用变频控制，达到节电效果，合理使用和经济效益三个方面受益。

1、节电效果

锅炉在运行时，即要保证供水、回水的温度，能够满足用户室温达标，同时又要做到合理使用，节能降耗。因此需要随时对燃烧进行调节。燃烧的调节说到底，就是给煤量多少的调节。当煤层厚度固定以后，其给煤量多少的调节就通过炉排转速的快慢来实现。炉排转速快，则给煤量就多，反之就给煤量就少。为了保持燃烧正常，给煤量多时，应增加给风量，反之，则应减少给风量。为了保持炉膛内的负压，（一般为负2―6毫米水柱）。当需要增加风量时，应先增加引风量，后增加鼓风量。当需要减少风量时，应先减少鼓风量，后减少引风量。如果没采用变频器控制，那么就要通过风机进口的调节风板来随时调节。这样一方面比较麻烦，司炉人员责任心就要强，随时根据炉膛负压情况进行调节。另一方面，调节不是很理想，由于调节风板是机械的，调节风量有时控制不好。炉膛负压不是大就是小，不是很灵活。所以有些司炉功一旦调节好了，基本上就固定不动了。甚至想办法将调节手柄固定死。以后不论给煤量如何变化，也不调节风板了，造成配风不合理。当给煤量减少时，风量并不减少。因而过剩空气，系数过大。不但对燃烧不利，而且造成电能的浪费，所以一定要做到合理配风，保证锅炉燃烧正常。引风机采用变频控制不仅仅解决上面存在调节风量的问题，最大的好处就是节电，一般情况下采用变频控制可节电10%―35%左右。一方面调节方便，根据需要，可随手调节变频调速按钮，非常省时方便。另一方面对于有连轴器引风机，其联轴器可以延长使用寿命。

2、采用变频控制，合理的使用方法

使用时应该注意的是虽然保持炉膛的负压了但是当炉排转速变化时一定要调节鼓风机的频率数，按照前面讲过的调节顺序当需要增加风量时，先提高引风机的频率数，然后提高鼓风机的频率数，当需要减少风量时，先降低鼓风机的频率数，然后再降低引风机的频率数。不要嫌麻烦，否则就不能收到最佳的燃烧的效果。改造引风机的运行方式时，可将引风机风量调节板拆除，防止调节的因素影响风量的调节。如果条件允许的话，可以将炉膛负压进行自动控制，减少司炉工的工作量。为维持炉膛负压稳定，可增加一个PID控制回路。PID控制器根据炉膛负压变化自动调节变频器频率输出。达到改变引风机风量，维持炉膛负压稳定的目的，不仅节电，而且还节约用煤。

3、节能方案的经济效益测算

（1）采用变频控制调速，经济效益测算：

引风机电机的输入功率：45KW

引风机的轴功率：34.25KW

根据引风机测试数据利用相似定律测算达到现有合理风量，考虑到其它的因素，单台引风机运行一个采暖期（按130天计算），节约电量为10KW×24h/d×130d=3.12万KW•h

节电率：10KW/45KW=22%

节约电费约为：3.12万KW•h×1.043元/KW•h=3.25万元

投资费用：3.8万元（购买引风机变频器费用和改造辅材所需费用合计）。

投资回收期：3.8/3.25=1.17年（约为一个采暖期运行收回投资成本）。

一个冬季采暖期锅炉运行3台引风机，可以节约电量10万KW•h左右，节约电费11万元左右。若要将此技术应用到其它锅炉耗电设备上，每年将节约电量60万KW•h左右，节约电费61万元左右。

（2）附加经济效益

① 利用变频器软启动功能，避免电机直接启动引起的电网冲击和机械冲击，防止设备损坏，保证风机的安全运行。

② 减小机械振动，噪声和磨损，提高了运行的可靠性、延长了机械寿命，变频调节时引风机入口挡板全开，升降转速平稳，惯性力矩减小，各部分力矩为最小，风机转动部分磨损最小，环境噪声降到最低。[3]

③ 利用变频器对锅炉引风机进行压力、风量调节，调节过程中平滑灵活可靠，同时解决风机调节线性差、调节延迟问题，特别是在点炉初期和低负荷情况下，变频调节非常方便、控制精度高、炉膛负压容易控制，也非常稳定。与静叶调节相比，变频调节明显地改善了调节性能。

④由于目前的变频器大多数为交-直-交电压源型，在其直流环节有大容量的滤波电容的存在，输入的功率因子可达0.95以上。变频器的投入，可以减小输入电流，节省无功功率的损耗，大大减轻了变压器和电网的负担。

⑤引风机节能改造环保效益分析

锅炉引风机是锅炉房噪声污染的主要来源之一，引风机的变频调速改造可以有效减轻噪声污染，当转速降低50%时，噪声可以减少十几个绝对分贝，改善了职工的工作环境。

四、结束语

引风机的节能改造对锅炉运行的可靠性及经济性都提出了更高的要求。从经济性角度分析，引风机是机组中的电耗大户，这也是节能工作的主要对象。从可靠性的角度分析，锅炉引风机故障造成机组降负荷、锅炉灭火甚至被迫停炉的事故时有发生，严重影响了锅炉运行的可靠性。深入研究锅炉风机节能改造的可靠性和经济性，发现并解决问题，对于企业具有重要的意义。

加强能源资源节约，增强可持续发展能力，关系到我们切身利益和整个公司的生存发展。所以必须倡导科技是第一生产力的指导思想，向技术革新要效益，发挥职工群众小改小革的积极性，从现在做起，从点滴做起，以管理促节约，以节约求效益。以自己的实际行动影响和带动身边的人，将降本减费工作贯穿于全年工作中，保证完成公司下达的经济技术指标。

【参考文献】

[1] 徐甫荣.高压变频调速技术应用实践. 北京:中国电力出版社,2007.

[2] 徐勇根.工业与民用配电设计手册.北京：中国电力出版社,1999.

[3] 成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社,2008.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。