變頻器在供暖行業(yè)中的應(yīng)用

1 概述

供暖就是利用鍋爐將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能后供給用戶。在鍋爐的燃燒室中，燃燒釋放出來(lái)的熱量通過(guò)熱輻射和煙氣對(duì)流與水產(chǎn)生了熱交換，水被加熱成具有一定溫度和壓力的蒸汽或熱水。再將蒸汽或熱水送到各個(gè)用戶單位，達(dá)到供暖的目的。如圖1所示。

整個(gè)供暖行業(yè)的核心就是供暖中心(鍋爐房)，而根據(jù)鍋爐的類(lèi)型不同，如燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、垃圾鍋爐、余熱鍋爐、電鍋爐等，變頻器的應(yīng)用也不盡相同。這里就以中國(guó)北方廣泛應(yīng)用的燃煤型鍋爐為例詳細(xì)說(shuō)明變頻器在供暖行業(yè)中的節(jié)能應(yīng)用。

近年來(lái)，國(guó)家大力提倡建設(shè)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)，堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展的路線，更為重要的是變頻器在供暖行業(yè)中的應(yīng)用帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)利益已經(jīng)逐漸被廣大同仁所認(rèn)同。那么，變頻器到底在供暖行業(yè)中怎么應(yīng)用，才能發(fā)揮其最大的效能，并且它的節(jié)能效果如何?本文以下部分，將就變頻器應(yīng)用前后的差別，對(duì)比說(shuō)明其優(yōu)劣性，同時(shí)詳細(xì)舉例說(shuō)明變頻器的使用方法，并且也從理論上定量計(jì)算其節(jié)能效果。

2 變頻在供暖行業(yè)中的應(yīng)用范圍

變頻技術(shù)在供暖行業(yè)中的應(yīng)用，可以說(shuō)是無(wú)處不在，大到鍋爐所用的幾百kW鼓引風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵，小到幾百kW 的水系統(tǒng)所用的加藥泵、補(bǔ)水泵。如圖2、圖3、圖4 所示。

1)在供暖中心(鍋爐房)，應(yīng)用變頻器的設(shè)備有：

(1)輸煤系統(tǒng)傳送帶于、粉煤機(jī)淤、翻車(chē)機(jī);

(2)供水管路給水泵(蒸汽爐)余、一次循環(huán)水泵(熱水鍋爐)盂、補(bǔ)水泵榆;

(3)鍋爐鼓風(fēng)機(jī)俞、引風(fēng)機(jī)虞、爐排愚、除渣輿。

2)在換熱站中應(yīng)用變頻器設(shè)備是二次循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵逾。

3 應(yīng)用事例及節(jié)能分析

3.1 鼓風(fēng)機(jī)⑨、引風(fēng)機(jī)⑤

3.1.1 傳統(tǒng)控制方式

傳統(tǒng)上，鍋爐的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)均為滿負(fù)荷定速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)檔來(lái)控制鼓風(fēng)量和引風(fēng)量，以保持爐內(nèi)的微負(fù)壓，提高燃燒比。然而隨著風(fēng)檔限制了空氣流量，風(fēng)管壓力也隨之開(kāi)始上升。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)進(jìn)氣、排氣風(fēng)檔改變管網(wǎng)特性以調(diào)節(jié)風(fēng)量，在一定的程度上是節(jié)能了，但是增加了管網(wǎng)的設(shè)計(jì)余量成本，同時(shí)，整個(gè)管網(wǎng)的壓力有可能產(chǎn)生波動(dòng)，甚至?xí)a(chǎn)生最不希望見(jiàn)到的系統(tǒng)震蕩，這無(wú)形中也對(duì)管網(wǎng)的負(fù)壓能力提出嚴(yán)格要求。

3.1.2 自動(dòng)變頻控制方式

如果采用變頻調(diào)速器，則可以減少?gòu)?fù)雜性，改進(jìn)系統(tǒng)控制狀況，節(jié)約能源。變頻調(diào)速器不是人為地降低風(fēng)檔的壓力來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，而是通過(guò)改變鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)電機(jī)的速度直接控制風(fēng)機(jī)的速度和流量，以得到所需要的準(zhǔn)確空氣流量和壓力，從而使空氣滿足整個(gè)系統(tǒng)的需要。采用變頻調(diào)速器，可以輕而易舉地糾正規(guī)格過(guò)大的風(fēng)機(jī)以及簡(jiǎn)單易控的平衡系統(tǒng)。

現(xiàn)在由于從煤源及品質(zhì)無(wú)法進(jìn)行定量的衡量，所以目前實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全自動(dòng)化控制存在一定的難度，現(xiàn)在可行的控制方式為，引風(fēng)機(jī)變頻器先啟動(dòng)，鼓風(fēng)機(jī)變頻器再啟動(dòng)，由現(xiàn)場(chǎng)操作工人人為通過(guò)數(shù)字或模擬給定控制鼓、引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，相對(duì)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速免去了設(shè)備的維護(hù)及其費(fèi)用。

3.1.3 預(yù)計(jì)節(jié)能效果

以90 kW 的引風(fēng)機(jī)和37 kW 的鼓風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，傳統(tǒng)風(fēng)閥控制一年費(fèi)用為

90 kW伊5個(gè)月伊30天伊8 小時(shí)伊95%伊1 元/kW·h=102 600元

37 kW伊5個(gè)月伊30天伊8小時(shí)伊95%伊1 元/ kW·h=42 180元

其中，95%為采用風(fēng)擋控制風(fēng)量所節(jié)約的能源百分比。

變頻節(jié)能控制一年的費(fèi)用為

90 kW伊5個(gè)月伊30天伊8小時(shí)伊51.2%伊1元/ kW·h=55 296元

37 kW伊5個(gè)月伊30天伊8小時(shí)伊51.2%伊1元/ kW·h=22732元

其中，51.2%為變頻器低速運(yùn)行時(shí)所節(jié)約的能源百分比。

一年節(jié)省的費(fèi)用為(102 600+42 180)-(55 296+22 732)=66 752元

3.2 傳送帶②、粉煤機(jī)①、爐排⑥、除渣⑦

3.2.1 傳統(tǒng)控制方式

傳統(tǒng)控制方式下，傳送帶、粉煤機(jī)、爐排、除渣四部分獨(dú)立控制，完全由經(jīng)驗(yàn)豐富的老師傅統(tǒng)一調(diào)配，傳送帶、粉煤機(jī)和除渣機(jī)均采用軟啟動(dòng)或星角啟動(dòng)方式，爐排采用滑差電機(jī)的控制方式，其結(jié)果是：

1)傳送帶走煤量無(wú)法精確控制，這樣就造成大量的煤堆積在粉煤機(jī)上加重其負(fù)荷，嚴(yán)重影響粉煤機(jī)的正常工作，或者上煤量不足嚴(yán)重影響煤層的均勻分布;

2)粉煤量無(wú)法精確控制，粉煤量完全依賴于傳送帶的送煤量，一旦出現(xiàn)異常，就只能調(diào)整爐排的轉(zhuǎn)速，而爐排又是通過(guò)滑差電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻給煤，致使煤層厚度不均勻;

3)由于煤的質(zhì)量多少存在一些差別，固定的給煤量有時(shí)無(wú)法達(dá)到規(guī)定的燃燒比，這樣無(wú)形中就浪費(fèi)了大量的能源，而且加大后續(xù)脫硫、降低排污量的工作。

3.2.2 自動(dòng)變頻控制

如我國(guó)新疆地區(qū)某供暖中心，完全可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)煤的品級(jí)和外界環(huán)境溫度等因素，自動(dòng)計(jì)算傳送帶、粉煤機(jī)、爐排、除渣的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，全自動(dòng)地完成上煤、粉煤、爐排、除渣等操作。針對(duì)我國(guó)大部分地區(qū)的實(shí)際情況，做到在正常供暖短時(shí)間人工設(shè)定四部分的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，完成半自動(dòng)化的操作還是切實(shí)可行的，而且節(jié)能環(huán)保效果，都是可以預(yù)見(jiàn)的。由于此處不定因素過(guò)多，這里就節(jié)能潛力不作定量的計(jì)算。

3.3 補(bǔ)水泵④、給水泵⑧

3.3.1 傳統(tǒng)控制方式

傳統(tǒng)控制方式采用電接點(diǎn)壓力表，設(shè)置壓力上限和下限，當(dāng)壓力低于下限啟動(dòng)循環(huán)水泵，高于上限停止循環(huán)水泵，其缺點(diǎn)是：

1)補(bǔ)水泵頻繁啟動(dòng)，造成系統(tǒng)壓力波動(dòng)，起停瞬間產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘效應(yīng)，增大了系統(tǒng)的維護(hù)量，同時(shí)電機(jī)的頻繁起停也將嚴(yán)重縮短其使用壽命，如果設(shè)置不當(dāng)，甚至有可能燒毀電機(jī);

2)每次啟動(dòng)電機(jī)都是滿負(fù)荷運(yùn)行，耗費(fèi)電能;

3)當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到極限值時(shí)，無(wú)法完成泄壓功能，只能通過(guò)安全閥泄壓。

3.3.2 自動(dòng)變頻恒壓補(bǔ)水

補(bǔ)水泵的正常工作直接影響到鍋爐的安全與用戶管網(wǎng)的安全，根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際工程運(yùn)行狀況，使用丹佛斯品牌的VLT7000 系列的變頻器控制補(bǔ)水系統(tǒng)，通過(guò)安裝在回水管道上距循環(huán)水泵3-5 m的壓力傳感器，實(shí)時(shí)將壓力信號(hào)反饋給變頻器，通過(guò)變頻器內(nèi)部的PID 運(yùn)算控制水泵的轉(zhuǎn)速維持恒定壓力，并且監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力。一旦補(bǔ)水泵停止補(bǔ)水，由于熱脹效應(yīng)使管網(wǎng)的壓力達(dá)到臨界上限值時(shí)，變頻將輸出信號(hào)，控制電磁閥動(dòng)作完成超壓瀉水動(dòng)作并報(bào)警。這樣，最終使得管網(wǎng)壓力維持在一個(gè)恒定的值上，不但保證了安全供暖，而且最大限度的節(jié)約了能源。

由于補(bǔ)水變頻的重要性，這里簡(jiǎn)單說(shuō)明一下變頻器的參數(shù)設(shè)置，如表1 所列。

3.4 二次循環(huán)水泵

3.4.1 傳統(tǒng)控制方式

換熱站內(nèi)的循環(huán)水泵何時(shí)開(kāi)始換熱，什么時(shí)候停止換熱完全由專(zhuān)人控制，并且換熱站內(nèi)的部分循環(huán)水泵采用星角、軟啟動(dòng)控制方式。

1)這樣只有縮時(shí)換熱才能保證正常供暖，如果循環(huán)水泵超時(shí)換熱，由于主管網(wǎng)的溫度下降，故超時(shí)部分不僅起不到換熱的目的，還浪費(fèi)大量的電能，另外，循環(huán)水泵的啟動(dòng)/停止及其運(yùn)轉(zhuǎn)，完全沒(méi)有量化，這樣由于人為因素產(chǎn)生大量不必要的浪費(fèi)是必然的。

2)由于起動(dòng)循環(huán)水泵時(shí)是滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，并且電機(jī)總是以在極端的條件下滿足系統(tǒng)要求而設(shè)計(jì)的，所以實(shí)際使用中有很大余量，這樣無(wú)形之中又帶來(lái)了大量的浪費(fèi)。

3)水泵滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，使得管網(wǎng)壓力升高，增加管網(wǎng)的維護(hù)費(fèi)用，而且專(zhuān)人負(fù)責(zé)需要非常大的人工費(fèi)用。

3.4.2 自動(dòng)變頻控制方式

以一個(gè)換熱面積為30 萬(wàn)m2，配兩臺(tái)55 kW循環(huán)水泵(二用一備)的中型換熱站為例。

1)在一次管網(wǎng)供水端(進(jìn)入板式換熱器端)加裝溫度開(kāi)關(guān)，設(shè)定溫度為35益，一旦溫度達(dá)到35益，自動(dòng)控制循環(huán)水泵啟動(dòng)，當(dāng)溫度低于30益時(shí)，自動(dòng)控制循環(huán)水泵停止。當(dāng)然在循環(huán)水泵控制柜內(nèi)也得加裝響應(yīng)控制組件，并且柜內(nèi)接線也要做相應(yīng)的變動(dòng)。

2)將星角、軟啟動(dòng)器更換為具有自動(dòng)能量?jī)?yōu)化功能的變頻器，即使在變頻器達(dá)到50 Hz運(yùn)行的情況下，仍可以根據(jù)負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)能量輸出。將星角、軟啟動(dòng)器更換為滿足電網(wǎng)諧波污染、電磁輻射相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的變頻器，預(yù)防諧波污染同電網(wǎng)下的其它電器，預(yù)防變頻器產(chǎn)生的電磁波干擾儀器儀表正常工作，為以后的智能升級(jí)做準(zhǔn)備，節(jié)省二次改造，二次投資。

3.4.3 預(yù)計(jì)節(jié)能效果

改造前一年費(fèi)用為

55 kW伊5個(gè)月伊30天伊8小時(shí)伊2臺(tái)伊1元/kW·h+800 元伊5 個(gè)月= 136 000 元

改造后一年的用電量為

55 kW伊5 個(gè)月伊30 天伊(8-1)小時(shí)伊2 臺(tái)伊72.5%伊1 元/kW·h= 83 737.5元

其中，72.5%為變頻器低速運(yùn)行時(shí)所節(jié)約的能源百分比。

一年將節(jié)省136 000-83 737.5=52 262.5元。

4 結(jié)語(yǔ)

變頻器在供暖行業(yè)中應(yīng)用，控制方式優(yōu)良節(jié)能效果顯著。

所以隨著供暖行業(yè)中的工藝需要、節(jié)能需要和環(huán)保需要，使得變頻技術(shù)在供暖行業(yè)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越普遍。