基于變頻調(diào)速技術(shù)的冷凝式鍋爐節(jié)能特性分析及應(yīng)用

羅沅富，李偉雄，劉宇清

（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 510700）

冷凝式鍋爐產(chǎn)生于西歐和美國，20世紀(jì)70年代以來，有關(guān)國家積極研制相關(guān)節(jié)能產(chǎn)品，努力降低排煙溫度（控制在40 ～45℃），并利用冷凝式鍋爐提高熱效率（保持在107%～109%）[1]。這有助于減輕鍋爐排放對大氣的污染，深入開展環(huán)保工作，該技術(shù)在國外得到廣泛應(yīng)用。為了節(jié)約能源，有效保護(hù)環(huán)境，我國積極開展冷凝式鍋爐研究工作，也取得了顯著的成果。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)成為改進(jìn)電機(jī)交流技術(shù)、推動(dòng)節(jié)能技術(shù)發(fā)展的一種重要手段。變頻調(diào)速技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，如調(diào)速和起制動(dòng)性能優(yōu)異、節(jié)電效果好、高效率、高功率因數(shù)、適用范圍廣等，被視為最有發(fā)展前途的一種新興調(diào)速方式[2-4]。所以，本文分析了基于變頻調(diào)速技術(shù)的冷凝式鍋爐節(jié)能特性和應(yīng)用，以期為我國節(jié)能減排提供新思路。

1 基于變頻調(diào)速技術(shù)的冷凝鍋爐節(jié)能特性分析

1.1 燃料種類對冷凝式鍋爐效率的影響

冷凝式鍋爐把煙氣溫度降到露點(diǎn)溫度以下，以回收煙氣中水蒸氣的潛熱，提高運(yùn)行效率。水蒸氣潛熱回收量是指指單位燃料完全燃燒后產(chǎn)生的水蒸氣量，根據(jù)定義可知，高低位發(fā)熱量的差值即為理論上冷凝式鍋爐回收熱量的最大值[5-6]。冷凝式供熱鍋爐燃用各種代表性燃料時(shí)的低位熱效率的最大值如表1所示。

表1 冷凝式供熱鍋爐燃用各種代表性燃料時(shí)的低位

由表1可知，不同種類燃料的高低位發(fā)熱量存在較大的差異，在運(yùn)用于冷凝式鍋爐時(shí)，這些燃料能夠提高的熱效率也不同，含氫和水分較高的燃料存在較大的高低位發(fā)熱量差值，其適合用作冷凝式鍋爐燃料；燃料中的氫含量和水含量不同，導(dǎo)致燃料燃燒后煙氣中水蒸氣的溫度不同，如果其他條件相同，氫含量和水含量較高的燃料所產(chǎn)生的煙氣中水蒸氣溫度較高。測試表明，煙氣中二氧化碳含量越高，露點(diǎn)溫度就越高，過量空氣系數(shù)就越大。

1.2 鍋爐排煙溫度對冷凝式鍋爐效率的影響

冷凝式鍋爐回收煙氣中水蒸氣的潛熱時(shí)，必須把煙氣溫度降低到水蒸氣露點(diǎn)溫度以下[7-9]?；厥諢煔庵兴魵鈺r(shí)，分為兩個(gè)部分：一是煙氣顯熱，二是煙氣中水蒸氣的汽化潛熱。圖1為不同排煙溫度下理論上的鍋爐效率。

圖1 不同排煙溫度下鍋爐熱效率曲線（低位效率）

由圖1可以看出，隨著排煙溫度發(fā)生變化，鍋爐效率分成了兩個(gè)較為明顯的區(qū)域。當(dāng)排煙溫度在60 ～180℃時(shí)，鍋爐效率變化緩慢；當(dāng)排煙溫度在20 ～60℃時(shí)，鍋爐效率變化較為明顯。原因是在排煙損失中，水蒸氣的溫度散失大于煙氣顯熱的散失。從理論上說，鍋爐排煙溫度達(dá)到20℃時(shí)，鍋爐效率可以達(dá)到106.9%。

1.3 變頻調(diào)速原理和節(jié)電分析

由變頻調(diào)速公式可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入頻率成正相關(guān)。人們可以通過改變電源頻率，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由比例定律可以得出，風(fēng)機(jī)流量Q、軸功率P與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的關(guān)系分別為：

由式（1）、式（2）可以看出，風(fēng)機(jī)流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)機(jī)軸功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)流量呈下降趨勢時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)下降。根據(jù)式（1）、式（2）推算可得，變頻調(diào)速時(shí)的節(jié)電率公式為：

由式（3）可知，采用變頻調(diào)速技術(shù)可以改變電源頻率，可以通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量，節(jié)能效果非常顯著。

2 基于變頻調(diào)速技術(shù)的冷凝鍋爐的應(yīng)用

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)在冷凝式鍋爐中的應(yīng)用

試驗(yàn)期間，使用一臺(tái)型號(hào)為SEZ10-1.6-A Ⅱ的冷凝式鍋爐設(shè)備，其中，引風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率為 55 kW、鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率為30 kW。下面采用變頻調(diào)速技術(shù)對設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行改造。其中，變頻調(diào)速設(shè)備采用西門子MM430 變頻調(diào)速器，同時(shí)增加其他儀器設(shè)備，如壓力傳感器、氧量析儀、爐膛負(fù)壓表等。人工操作界面采用上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對冷凝式鍋爐的使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。其間對冷凝式鍋爐的各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，使其與變頻調(diào)控技術(shù)更好地融合。

首先是對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在改造后的冷凝式鍋爐控制系統(tǒng)中，PLC 即可編程控制器作為鍋爐風(fēng)機(jī)的主要控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速器作為鍋爐的主要執(zhí)行系統(tǒng)，兩者是為鍋爐風(fēng)機(jī)提供可變頻率的電源設(shè)備[10-12]。

其次是對引風(fēng)控制系統(tǒng)的改造。改造后，冷凝式鍋爐的爐膛上安裝負(fù)壓變送器，將標(biāo)準(zhǔn)電壓的信息送入PLC 的反饋渠道，將標(biāo)準(zhǔn)電壓與爐膛內(nèi)的實(shí)際電壓進(jìn)行對比。在PLC 系統(tǒng)中設(shè)置算法進(jìn)行運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果作為引風(fēng)控制系統(tǒng)的頻率，控制引風(fēng)控制系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保鍋爐爐膛內(nèi)的負(fù)壓值穩(wěn)定在設(shè)定的數(shù)值左右。

最后是對鼓風(fēng)控制系統(tǒng)的改造。改造后，冷凝式鍋爐的蒸汽管道上安裝壓力變送器，將標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽壓力送入PLC 的反饋渠道，將標(biāo)準(zhǔn)蒸汽壓力與實(shí)際的壓力進(jìn)行對比。在PLC 系統(tǒng)中設(shè)置算法進(jìn)行運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果作為鼓風(fēng)機(jī)變頻器系統(tǒng)的頻率，控制好鼓風(fēng)控制系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保鍋爐爐膛內(nèi)的負(fù)壓值穩(wěn)定在設(shè)定的數(shù)值左右。

2.2 改造前后的結(jié)果對比

對冷凝式鍋爐進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，并對改造前后的冷凝式鍋爐進(jìn)行熱效率和節(jié)電測試，比較兩者的節(jié)能效果，測試數(shù)據(jù)如表2和表3所示。由表2可以看出，過量空氣系數(shù)降低了25.23%，已基本達(dá)到理想值；爐渣的含碳量也降低了56.15%，燃料使用情況得到明顯的提升，燃料的燃燒效率得到一定的提升，鍋爐改造后，總體熱效率提高了9.80%。

表2 鍋爐改造前、后燃燒效果數(shù)據(jù)對比

表3 改造前、后用電情況對比

由表3可以看出，改造后，冷凝式鍋爐的電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)得到提高，平均值在0.9 以上；耗電量大幅度下降，引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的節(jié)電率達(dá)到36%，鼓風(fēng)控制系統(tǒng)的節(jié)電率達(dá)到了43.3%。

實(shí)踐表明，基于變頻調(diào)速技術(shù)的冷凝式鍋爐具有顯著的節(jié)電效果，鍋爐的燃燒效率明顯提高，從而節(jié)約電能，因此變頻調(diào)速技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于冷凝式鍋爐的改造中[13-15]。

3 結(jié)語

本文分析了基于變頻調(diào)速技術(shù)的冷凝式鍋爐節(jié)能特性，并將其與傳統(tǒng)鍋爐的使用情況進(jìn)行對比，指出變頻調(diào)速技術(shù)可以極大地提升冷凝式鍋爐的節(jié)能效果。因此，要想做好節(jié)能減排工作，我國要積極研究和利用變頻調(diào)速技術(shù)，從而提升冷凝式鍋爐的節(jié)能效果。