1  引言
    風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載多是按滿負(fù)荷工作來(lái)選型的，然而，實(shí)際應(yīng)用中大部分時(shí)間并非工作于滿負(fù)荷狀態(tài)。常用擋風(fēng)板、回流閥或開停/機(jī)時(shí)間，來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量或者流量；同時(shí)大電機(jī)在工頻狀態(tài)下頻繁開/停比較困難，勢(shì)必造成開/停機(jī)時(shí)的電流沖擊，由此造成了電能的損失和設(shè)備的損壞。采用變頻器直接控制風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載是一種科學(xué)的控制方法，當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的80%運(yùn)行時(shí)，理論上其消耗的功率為額定功率的(80%)3，即51.2%，除去機(jī)械損耗及電機(jī)銅、鐵損等影響，節(jié)能效率也接近40%，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，節(jié)能效率將進(jìn)一步提高。由于變頻器可實(shí)現(xiàn)大的電動(dòng)機(jī)的軟停、軟起，避免了啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，減少電動(dòng)機(jī)故障率，延長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)也降低了對(duì)電網(wǎng)的容量要求和無(wú)功損耗。目前，為達(dá)到節(jié)能目的而推廣使用變頻器已成為廠礦企業(yè)節(jié)能工作的重點(diǎn)。

2  工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    工業(yè)鍋爐根據(jù)采用的燃料不同，通常分為燃煤、燃油和燃?xì)馊N。這三種鍋爐的燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)基本相同，只是燃料量的調(diào)節(jié)手段有所區(qū)別。在各種民用、工業(yè)鍋爐熱工自動(dòng)控制過(guò)程中，鍋爐燃燒過(guò)程的自動(dòng)控制是一項(xiàng)重要的控制內(nèi)容。傳統(tǒng)的控制方案中，鼓、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量一般采用風(fēng)門擋板控制，爐排電機(jī)及給粉機(jī)采用滑差調(diào)速，其弊端是調(diào)節(jié)不及時(shí)，操作復(fù)雜，不能確保鍋爐的最佳運(yùn)行狀態(tài)，浪費(fèi)能源。對(duì)工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程實(shí)現(xiàn)變頻器調(diào)速主要是通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量、引鳳機(jī)的引風(fēng)量和燃料進(jìn)給。
2.1 技術(shù)參數(shù)及使用環(huán)境
    （1）鍋爐容量：2～220T/h;
    （2）可變頻率范圍：0～60Hz;
    （3）適用電機(jī)功率范圍：11kW～280kW;
    （4）控制精度：±1%;
    （5）工作電壓：380V±10%;
    （6）環(huán)境溫度：-10℃～50℃;
    （7）空氣相對(duì)濕度：小于90%RH，無(wú)凝露；
    （8）設(shè)置場(chǎng)所：無(wú)劇烈振動(dòng)、沖擊，無(wú)導(dǎo)電性氣體或塵埃。
2.2 變頻器的選擇
    芬蘭瓦薩控制系統(tǒng)有限公司（Vaasa Control）的拳頭產(chǎn)品Vacon NX系列變頻器，以其優(yōu)秀可靠的性能和品質(zhì)成為歐美各國(guó)首選品牌。Vacon NX系列是其第二代高性能變頻器是市場(chǎng)上最安全、穩(wěn)定，功能最強(qiáng)大、使用最方便的產(chǎn)品之一。
Vacon NX系列擁有精致小型變頻器（NXL）、工業(yè)型變頻器（NXS）及高性能變頻器（NXP）三種不同檔次的產(chǎn)品，具有風(fēng)冷和液冷兩種不同的冷卻方式。
    它自帶PID調(diào)節(jié)器，與其它品牌變頻器相比能以更少的投資實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制（可省去很多外部設(shè)備），多一個(gè)外部設(shè)備多一個(gè)故障，而Vacon變頻器設(shè)計(jì)使用壽命（MTBF）為500,000h。
    Vacon變頻器的核心是自適應(yīng)電機(jī)模型和高級(jí)ASIC電路特性的無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)。電機(jī)磁通模型是基于三相輸出電流的測(cè)量和來(lái)自ASIC電路的電壓測(cè)量為基礎(chǔ)的。該模型自動(dòng)識(shí)別無(wú)傳感器矢量模式和U/f模式的電機(jī)參數(shù)，并且在實(shí)時(shí)地跟蹤電機(jī)的參數(shù)變化。矢量控制建立在定子磁通坐標(biāo)系上，它可以消除測(cè)量值和電機(jī)參數(shù)間的微小變化。這樣不需要復(fù)雜的計(jì)算。ASIC電路同時(shí)也監(jiān)控內(nèi)部總線和一些外部功能，因此可以使處理器有能力處理其它的任務(wù)。
2.3 工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程的變頻調(diào)速系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)
    考慮到原系統(tǒng)均全天運(yùn)行，為使系統(tǒng)可靠、節(jié)能，操作、維護(hù)方便，改造后新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，引風(fēng)機(jī)（37kW）、鼓風(fēng)機(jī)（24kW）、供水水泵（22kW）均采用單回路控制，風(fēng)機(jī)均采用恒壓變流量控制方式，水泵采用恒液位控制方式。風(fēng)機(jī)的控制回路均由壓力傳感器、壓力控制器及變頻器組成，水泵控制回路由液位傳感器、水位控制器及變頻器組成。水位、壓力均采用數(shù)字方式顯示和控制。

圖1  鍋爐風(fēng)機(jī)、水泵改造系統(tǒng)原理圖

    新的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)只是將原系統(tǒng)的閥門開度控制信號(hào)轉(zhuǎn)接到變頻器上，改造的工程量很小，但帶來(lái)的好處是多方面的。首先是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括變頻器、風(fēng)機(jī)、電機(jī)的線性度大大改善了，因?yàn)樽冾l器輸出的是頻率，即速度控制信號(hào)，而風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是與速度成正比的，其次執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反應(yīng)時(shí)間比閥門要快，且是由變頻器編程設(shè)定的，這兩點(diǎn)都有利于控制精度的提高和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的最大的優(yōu)點(diǎn)正如上面討論的那樣，大大節(jié)約了風(fēng)機(jī)消耗的電能，降低了鍋爐生產(chǎn)的成本。
2.4 新的工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程的變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)

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    （1）采用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取消擋板調(diào)節(jié)，降低了設(shè)備的故障率，節(jié)電效果顯著。
    （2）采用變頻器控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
    （3）電機(jī)將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，減少了噪聲對(duì)環(huán)境的影響。
    （4）具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能及聲光報(bào)警功能。
    （5）本方案運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)靈活多樣，可完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且可與鍋爐其它自控裝置進(jìn)行電器聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)鍋爐的自動(dòng)保護(hù)及計(jì)算機(jī)控制，不會(huì)因事故影響生產(chǎn)。
    （6）安裝時(shí)可不破壞原有的配電設(shè)施及環(huán)境，不影響生產(chǎn)。
    （7）只需調(diào)節(jié)電位器旋鈕即可調(diào)整風(fēng)量,操作方便。

3  變頻調(diào)速節(jié)能分析
3.1 節(jié)能效果分析
    閥門的開啟角度與管網(wǎng)壓力、流量的關(guān)系如圖2所示。

圖2  閥門位置與壓力流量關(guān)系圖

    當(dāng)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速n0運(yùn)行，閥門角度為a0（全開）；當(dāng)閥門開啟角度變化（a，a1）時(shí)，管道壓力與流量只能是沿A、B、C點(diǎn)變化。即若想減小管道流量到Q1，則必須減小閥門開度到a1，這使得閥前壓力由原來(lái)的P0提高到Pq。實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制后，閥后壓力由原來(lái)的P0降到Ph。閥前閥后存在一個(gè)較大的壓力差
    ΔP=Pq-Ph （1）
    如果讓閥門全開（開度為a0），采用變頻調(diào)速，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至n1，且流量為Q1，壓力為Ph，這樣在工藝上則與閥門調(diào)節(jié)一樣，達(dá)到對(duì)流量或壓力的控制要求。但是，在電機(jī)的功耗上則大不一樣。風(fēng)機(jī)水泵的軸功率與流量和揚(yáng)程（壓力）的乘積成正比。在流量為Q1，用閥門節(jié)流時(shí)，令電動(dòng)機(jī)的軸功率為Nf=KPhQ1，比閥門節(jié)流節(jié)省的電能為：
     Nj-Nf=K(Pq-Ph)Q1=KQ1ΔP（2）
    由式(2)和圖(2)可知，流量越低，閥門前后開度差越大。這就說(shuō)明了用變頻調(diào)速在流量小，轉(zhuǎn)速低時(shí)，節(jié)能效果越好。
目前還有很多鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的風(fēng)量調(diào)節(jié)還是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板實(shí)現(xiàn)的，這種風(fēng)量調(diào)節(jié)方式不但使風(fēng)機(jī)的效率降低，也使很多能量白白消耗在擋板上。為了節(jié)約電能，提高鍋爐燃燒控制水平，增加經(jīng)濟(jì)效益，采用變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)、泵類的流量（或壓力）控制，已成為各鍋爐使用單位節(jié)能改造的重點(diǎn)。
3.2 節(jié)能效果計(jì)算及實(shí)測(cè)值
    以撫順鋼廠熱力工段百噸鍋爐為例。
    （1）鍋爐現(xiàn)有鼓風(fēng)機(jī)一臺(tái)，配用24kW電機(jī)，風(fēng)量在80%～30%之間變化，設(shè)電機(jī)全速供風(fēng)量為Qn，空載損耗為0.1(Y0=cosnt)，每天總供風(fēng)量為60%Qn，則全速功率：Pp=(24-24×0.1)kW=21.6kW。
    變頻時(shí)，每天只需功率：
    Pm2=(2.4+(60%))3×21.6)kW=7kW
    節(jié)約的功率：
    Pj=(21.6-7)kW=14.6kW；
    實(shí)測(cè)值12.4kW
    如果電費(fèi)按0.7元/kW?h計(jì)算，每年節(jié)約的電費(fèi):12.4kW×24h×365×0.7元/kW?h=7.6萬(wàn)元
    （2）鍋爐現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)一臺(tái)，配用37kW電機(jī)。風(fēng)量在90%～70%之間變化，設(shè)電機(jī)全速供風(fēng)量為Qn，空載損耗為0.1(Y0=cosnt)，每天總供風(fēng)量為80%Qn，則全速功率:Pp=(37-37×0.1)kW=33.3kW。
    變頻時(shí)，每天只需功率：
    Pm2=(3.7+(80%))3×33.3)kW
=20.75kW
    節(jié)約的功率：
    Pj=(33.3-20.75)kW=12.55kW；
    實(shí)測(cè)值10.5kW
    如果電費(fèi)按0.7元/kW?h計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)：
    10.5kW×24h×365×0.7元/kW?h
    =6.5萬(wàn)元
    （3）每年總節(jié)約的電費(fèi)：
    7.6+6.5=14.1萬(wàn)元
    由以上情況可知，半年內(nèi)輕易可收回投資。

4  結(jié)束語(yǔ)
    正確采用VACON變頻器的工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行情況良好,提高了鍋爐工藝過(guò)程的合理性,控制系統(tǒng)可長(zhǎng)期無(wú)故障工作,大大減輕了維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,尤其是帶來(lái)了十分可觀的節(jié)能效果。