鍋爐風機自動控制改造及節(jié)能效益評估

戈 帥

（太原市熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

目前我國很多工業(yè)企業(yè)在鍋爐的使用過程中風機一直在工頻狀態(tài)下運行，風量主要以人工調(diào)節(jié)風門的方式控制，這不僅加大了人工勞動強度，同時也造成了電能的浪費，并且人工控制風門的方式精準度較低，在實際生產(chǎn)過程中存在著風量調(diào)節(jié)不準確的情況，存在著一定的安全隱患[1]。

1 引風機自動控制系統(tǒng)改造

引風機自動控制系統(tǒng)改造是基于變頻系統(tǒng)而形成的，在執(zhí)行過程中以閉環(huán)控制原理為主，控制器通過對微差變送器采集的信號進行分析處理，從而輸出相應的控制電壓，實現(xiàn)風機轉(zhuǎn)速的改變，在保證鍋爐正常運行的情況下降低能耗[2]。閉環(huán)回路控制是將鍋爐爐膛內(nèi)部的壓力值作為基準，以此來實現(xiàn)自動化精準控制。

1.1 系統(tǒng)硬件設計

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，某企業(yè)1 號燃氣鍋爐經(jīng)過七年的使用，引風機葉片損壞嚴重，外殼體也存在銹蝕，因此在本次系統(tǒng)改造時對其進行更換。本次系統(tǒng)設計采用不銹鋼耐高溫引風機，該風機功率55 kW，流量為31 554~60 533 m3/h，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，電機電壓為380 V，能夠滿足鍋爐生產(chǎn)引風需求。變頻器采用西門子6SL3220-1YD40-0UB0 變頻器，容量為55 kW，能夠滿足風機電機調(diào)控需求。

1.2 系統(tǒng)軟件程序設計

本次系統(tǒng)軟件程序控制是基于變頻器內(nèi)置PID算法模塊實現(xiàn)的，在實際運行過程中邏輯控制程序如下：首先啟動系統(tǒng)，引風機經(jīng)過變頻器實現(xiàn)軟啟動，在啟動至工頻狀態(tài)下時，鍋爐爐膛內(nèi)置差壓變送器將壓力值反饋至變頻器當中，并與變頻器內(nèi)部預設壓力值進行對比，以此來實現(xiàn)引風機的動態(tài)化調(diào)控。此項設計目的是為了保障爐膛負壓處于一個恒定的范圍，從而提高天然氣的燃燒效率，降低風機電能消耗。

1.3 鍋爐爐膛壓力控制測試

在引風機自動控制系統(tǒng)設計完成前后，對系統(tǒng)進行測驗，對比改造前后爐膛負壓變化情況。由于爐膛壓力與鼓風量和引風量均有關(guān)系，因此在測驗過程中將鼓風機開至最大頻率，之后啟動引風自動控制系統(tǒng)，測驗參數(shù)由鍋爐爐膛自帶壓差變送器記錄，具體結(jié)果如圖1 所示。

圖1 改造前后鍋爐爐膛壓力情況

由圖1 可知，在改造之前，鍋爐爐膛壓力波動幅度在-89~30 Pa 之間，波動幅度較大，在210 s 后依舊有明顯跳動，出現(xiàn)此種情況的主要原因在于風門在風力的作用下調(diào)控相對困難，并且手動調(diào)控風門精度較差，需要進行反復多次調(diào)節(jié)。經(jīng)過改造后，在自動化控制系統(tǒng)下，鍋爐爐膛壓力波動幅度在-62.8~-27.3 Pa之間，整體壓力控制更加平穩(wěn)，并且在166 s 時基本恒定在-50 Pa 附近。由此可見，自動化系統(tǒng)的應用能夠有效提高鍋爐爐膛內(nèi)部壓力的平穩(wěn)性，這有助于提高鍋爐燃燒效率和使用安全性。

2 鼓風機自動控制系統(tǒng)改造

鍋爐鼓風機主要用于為鍋爐燃燒提供充足的氧氣，隨著天然氣量的改變，鼓風機輸出功率也需要進行相應的調(diào)整，進而確保天然氣完全燃燒，并且排煙損失最小。

2.1 系統(tǒng)硬件設計

某企業(yè)1 號燃氣鍋爐鼓風機功率為22 kW，由于長時間使用已經(jīng)出現(xiàn)老化、效率不佳等問題，本次改造將其更換為耐高溫鼓風機，功率22 kW，流量為9 405 m3/h，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，電機電壓380 V，能夠滿足鍋爐生產(chǎn)鼓風需求。變頻器采用西門子6SE7032-6EG60 變頻器，容量為22 kW，能夠滿足風機電機調(diào)控需求。

2.2 系統(tǒng)軟件程序設計

鼓風機自動控制原理與引風機控制原理一致，均由變頻器內(nèi)置PID 算法模塊實現(xiàn)風機風量自動調(diào)控。在設計當中，天然氣給定閥門主要由天然氣公司所配備的自動集成控制系統(tǒng)實現(xiàn)。在運行過程中利用1 151 電容式變送器采集鍋爐軟水的熱工參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為4~20 mA 電信號傳遞給天然氣自控閥門，實現(xiàn)天然氣輸入量的控制。而鼓風機風量控制需要結(jié)合天然氣量進行設計，本次設計中利用角度變送器將天然氣燃燒所需要的風量信號傳遞給變頻器，同時鍋爐尾氣管內(nèi)空氣流量變送器（本次采用氧化鋯氧氣監(jiān)測傳感器）將信號傳遞至變頻器，變頻器通過與內(nèi)部預設值的對比進行風機轉(zhuǎn)速調(diào)控。具體控制閉環(huán)回路設計如圖2 所示。

圖2 鼓風機自動控制閉環(huán)回路設計

3 鍋爐風機自動控制系統(tǒng)應用的節(jié)能經(jīng)濟性分析

本次自動控制系統(tǒng)改造主要用于某企業(yè)1 號燃氣鍋爐中，改造時間為2020 年10 月11 日—2020 年11 月1 日。

3.1 鍋爐風機自動控制系統(tǒng)改造供暖效果分析

某企業(yè)1 號燃氣鍋爐燃料為天然氣，主要用于廠區(qū)冬季供暖，供暖介質(zhì)為軟化水。因此改造完成后需要對供暖效果進行分析。本次研究選取2019 年供暖初、中、末期典型日（11 月28 日、1 月20 日、3 月10日）某房間溫度變化情況，溫度采集每4 小時一次，根據(jù)記錄可知這三天該地氣溫為［-12，5］℃、［-23，-3］℃、［-16，-1］℃；改造后選取2020 年供暖初、中、末期典型日（11 月16 日、1 月29 日、3 月13 日）同一房間溫度變化情況，經(jīng)過氣候溫度分析可知，2020 年選取的典型日與2019 年選取的典型日氣溫一致，該房間一直無人居住，其中裝潢設施未改變，因此數(shù)據(jù)具有分析意義。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集分析對比可得結(jié)果如圖3 所示。

圖3 改造前后供暖初、中、末期某房間溫度對比圖

由圖3 可知，2020 年供暖初、中、末期典型日某房間的溫度變化幅度相對較大，在白天期間房間溫度較高，其中在11 月28 日溫差達到7.76 ℃。2020 年供暖初、中、末期典型日某房間的溫度變化相對平穩(wěn)，在8：00—20：00 階段，溫度變化幅度更小，三個典型日全天最大溫差為4.39 ℃，溫差降低率達43.43%，并且全天溫度均保持在18 ℃以上。由此可見，改造后的自動控制系統(tǒng)能夠滿足某廠區(qū)內(nèi)部供暖需求。

3.2 節(jié)能經(jīng)濟性分析

某企業(yè)所在地2020—2021 年供暖期為11 月15日—4 月10 日，共計146 d，該企業(yè)根據(jù)政府供暖期時間進行供暖。改造前鍋爐鼓風機、引風機均以工頻運行，改造完成后通過變頻器控制實現(xiàn)自動化控制，根據(jù)對2020 年供暖初、中、末期典型日（11 月16 日、1 月29 日、3 月13 日）3 d，鼓風機、引風機變頻器輸出功率平均值分析，具體得出改造前后風機節(jié)能情況如表1 所示。

表1 某企業(yè)1 號改造前后風機節(jié)能情況

在具體分析過程中，根據(jù)2020—2021 年供暖期某企業(yè)所在地氣溫分析，本次研究將整個供暖期分為三個階段，其中初期為11 月15 日—12 月27 日，為42 d；中期為12 月28 日—次年2 月23 日，為57 d；末期為2 月24 日—4 月10 日，為45 d。由此可以計算出改造前整個供暖期鍋爐鼓風機、引風機共消耗電能為（22 kW+55 kW）×146 d×24 h/d=269 808 kW·h。改造完成后鍋爐鼓風機共消耗電能為15.32 kW×42 d×24 h/d+19.23 kW×57 d×24 h/d+16.34 kW×45 d×24 h/d=59 396.4 kW·h；引風機共消耗電能為36.32 kW×42 d×24 h/d+42.98 kW×57 d×24 h/d+37.64 kW×45 d×24 h/d=136 058.4 kW·h，共計消耗電能195 454.8 kW·h。由此可見整個供暖季電能消耗降低743 53.2 kW·h，節(jié)能率達到27.56%。該地工業(yè)用電0.68 元/kW·h，全年供暖期可節(jié)約5 萬元，具有良好的經(jīng)濟效果。

4 結(jié)論

1）對引風機自動控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行設計，并空機測試引風機自動控制系統(tǒng)應用效果，根據(jù)對改造前后鍋爐爐膛壓力分析發(fā)現(xiàn)，在自動化控制系統(tǒng)下，鍋爐爐膛壓力控制更加平穩(wěn)，這對提高鍋爐使用安全性有著重要的意義。

2）對鼓風機自動控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行設計，確定鼓風機自動控制閉環(huán)回路設計方式。

3）將自動控制系統(tǒng)應用于某企業(yè)1 號燃氣鍋爐當中，經(jīng)過測驗發(fā)現(xiàn)，自動控制系統(tǒng)應用后，某房間溫度變化相對平穩(wěn)，且溫度均保持在18 ℃以上，能夠滿足企業(yè)供暖需求；從電能消耗角度分析，相比較傳統(tǒng)控制方式，自動控制系統(tǒng)應用后整個供暖期能夠降低電能74 353.2 kW·h，節(jié)能率達到27.56%，供暖期電費成本可降低5 萬余元。