锅炉辅机配套变频器节能方案
来源: | 作者:佚名 | 发布时间: 2016-07-04 | 1518 次浏览 | 分享到:
近年来，我国工业锅炉产品年产量基本保持在2万～3万台。工业锅炉行业量大面广，平均容量小，且以燃煤为主，年耗燃料约4亿tce（吨标准煤）。
一、概述
　　近年来，我国工业锅炉产品年产量基本保持在2万～3万台。工业锅炉行业量大面广，平均容量小，且以燃煤为主，年耗燃料约4亿tce（吨标准煤）。我国既是工业锅炉生产大国，也是使用大国。工业锅炉排放大量烟尘以及SO2和NOX等污染物，成为我国大气主要煤烟型污染源之一。由于工业锅炉行业运行效率不高，能源浪费相当严重，每年多耗用燃煤约6000万吨。因此，工业锅炉行业已成为我国开展节能降耗、提高能效、减少污染的主要对象之一。 

　　与发电用大型锅炉相区别，工业锅炉泛指锅炉额定蒸汽工作压力大于0.04MPa、小于3.8MPa的蒸汽锅炉和额定出水压力大于0.1MPa的多种容量、压力、温度的热水锅炉。广泛应用于工厂动力、建筑采暖、人民生活等各个方面，在国民经济和人民生活中发挥着十分重要的作用。


二、现有企业锅炉使用情况
　　目前，我国所使用的燃煤热水及蒸汽锅炉中，其配套的鼓、引风机、循环水泵主要靠手动调整风门(阀门)的开口大小来大致调节用风量(水量)，通过改变水泵出口管路上的调节阀开度来调节给水量。而风机和水泵的最大特点是负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率与转速的立方成正比。
　　由于锅炉在正常运行中的燃料构成、热负荷、电负荷以及季节等变化因数较大，因此，锅炉燃烧所需要的空气量在各个不同的情况下，也相应有较大的变化，然而，锅炉配置的风机是按锅炉最大出力情况下的所需最大风量来设计，并必须考虑锅炉在事故情况下一定的风量裕度，所以，风机电机功率的配置一般都较大，锅炉风机档板的平均开度，在正常情况下引风机为48%左右，二次风机仅为45%左右。用档板调节控制，大量电能浪费克服挡板的阻力上，造成厂用电率高，影响机组的经济运行。
　　在锅炉给水泵，不好控制和调节，使得电机启停过于频繁。另一方面，从净水器的净水效果来看，最理想的净化方法应该是保持一定水量进行连续供水，这样净水效率高，效果也好。不要经常启动、停止，造成断水。净水器停运期间，净水器内的塑料斜管暴露在阳光下的时间过长容易老化，影响塑料斜管的使用寿命，如果净水器停运时间过长，再使用时则需要重新经过反洗，这样对用水的浪费相当大。 
　　又因电机的启动方式一般分为星三角、自耦降压、直接启动三种方式，启动时大电流对电网冲击很大；原有风机在工作时只能进行简单的电气保护，不能完全保证安全运行，增加了设备维护量；原有风机工作时噪音较大，对现场工作人员影响较大，严重影响了设备寿命。

因此在没有调速控制之前，一般采用起动方式，并且正常运行后，电动机全速运行，而风量的大小则通过风门来调节。一般情况下，风门的开度为50%～80%，电机只能是满负荷运行，电动机的工作效率很低，造成很大浪费。


三、变频器调速的特点
　　 怎样能根据工况而直接控制风量的大小而满足工况的要求呢？变频器的出现很好的解决了这个问题。变频器是无级调速的，用变频器改造风机，具有以下特点： 
    1. 起动停止平衡，无级调速，调速范围大。 
    2. 工作可靠，能长期稳定运行。 
    3. 操作简便，维护量小。 
    4. 输出特性可满足风机性能要求。 
    5. 节能效果显著。

　　根据泵的特性，风机的流量变化与转速成正比，压力变化与转速成正比，而功率变化与转速变化立方成正比。因此，当风机转速降低时，风量减少。电机功率成立方比下降。补水泵改用变频器调节补水，不仅仅在于考虑它对电机的节能效益，更重要的是从生产设备运行安全角度考虑，改造后的运行情况良好，提高了净水器的净水效果。并实现连续供水的目的。


四、节电原理
　　交流电动机的转速N用公式表示为：N=60f（1-s）/p ；
　　（N为电机每分钟转速，f为电机接受频率，p为电机磁极对数，s为电机转差率）。
　　由此可知交流电机的转速与接受频率成正比，通过改变电机的供电频率可达到调整电机转速的目的。流体传输设备（水泵、风机）的工作原理可知：水泵、风机的流量（风量）与其转速成正比；水泵、风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的轴功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）。
　　根据上述原理可知：改变水泵、风机的转速就可改变水泵、风机的输出功率。例如:将供电频率由50Hz降为45Hz，则P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50（P为电机轴功率）；将供电频率由50Hz降为40Hz，则P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50（P为电机轴功率）。如下图：

由以上内容可以看出，用变频器进行流量（风量）控制时，可节约大量电能。锅炉控制系统在设计时是按现场最大需求量来考虑的，其鼓风机、引风机、给水泵、循环泵都是按单台设备的最大工况来考虑的，在实际使用中有90% 以上的时间它们都工作在非满载状态下。采用阀门、自动滑阀调节不仅增大了系统循环压力和节流损失，而且由于调节是阶段性的，造成整个系统工作在波动状态；而安装变频控制系统则可一劳永逸地解决该问题，还可实现自动控制，并通过节能收回投资。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，延长锅炉各部件的使用寿命。


五、改造方案 
　　从以上运行情况分析：要提高电动机的工作效率、节约电能，可在风机电动机上装上调速装置。根据工作的情况调节调速器装置的速度可以满足工作状况的要求。另外，用变频器对风机进行改造不必对原系统进行大改动。即在原风机配电柜系统上并联上变频控制柜，鼓、引风机分别按照操作盘设定的频率信号运行，在控制系统中设计了强电联锁电路（系统只能先启动引风机再启动鼓风机；当引风机失电后鼓风机立即失电）、弱电联锁电路和引风机变频故障停机联锁功能及声光报警、频率状态显示等功能。变频器连锁控制系统与原有启动系统并联安装，实现两柜手动切换功能，以便在变频系统有故障时可及时切换原启动柜工作。热水锅炉的循环水泵所测温度差自动调整热水流量。
　　因此，变频器在风机改造方面得到广泛的应用，在变频改造的过程中，当我们需要时，让电动机高速运行以达到我们的要求。当不在工作时，使电动机低速运转节约电能。同时，可根据我们的需要而调节变频器，以满足我们的工作要求。
控制系统总体构成如下图所示： 

　　其中，鼓风机、引风机、炉排机变频器受燃烧控制系统的控制，给水泵变频器受汽包水位的控制。控制器的输出信号将控制相关的变频器输出频率，以达到稳定工况及提高锅炉热效率和节能之目的。对于给水泵变频器加减速时间的设定，应在保证供水的前提下，尽量设定长一点，这样对工艺管道有利，因为这可以克服水泵加速过快的“水锤效应”和减速过快时的“空化现象”。
 
六、通过对变频器在工业锅炉上的应用进行总结，具有以下优点：
　　充分利用变频器进行节能技术改造，不仅能提高经济效益，而且能产生巨大的社会效益，促进企业的技术进步。
　　1、锅炉的安全运行是全厂动力的根本保证，虽然变频调速装置是可靠的，但一旦出现问题，必须确保锅炉安全供汽，所以，必须实现工频--变频运行的切换系统（旁路系统），在生产过程中，采用手工切换如能满足设备运行工艺要求，建议尽量不要选用自动旁路，对一般的小功率电机，采用双投闸刀方式作为手动、自动切换手段也是比较理想的方法。
　　2、平滑启动及转机转速下降，机械磨损减小，故障率下降，减少了停机、停炉对生产的影响。
　　3、对于风机、水泵等转矩负载而言，电机的功率与其转速的三次方成正比，故转速的变化可使功率大幅度下降。根据经验风机、水泵的节能率为20%-50%。
　　4、节电降耗效果显着，操作简便，调节平衡，尤其与微机控制相联更体现了优越性，深受炉工的欢迎。
　　5、档板和调节阀的机械磨损、卡死等故障不复存在了。
 
七、改造方案配置 
1、引风机
　　电动机型号：Y355S2-4B3  200KW/380V/359A 
　　根据贵公司提供的实际运行数据，通过节能计算节能达到55%。 
　　ABB变频配置ACS800-04P-0260-3+P901，详细变频柜机辅助元件清单见配置表。
2、一次风机 
　　电动机型号：Y315L1-4  1600KW/380V/285A 
　　根据贵公司提供的实际运行数据，通过节能计算节能达到52.9%。 
　　ABB变频配置ACS800-04P-0210-3+P901，详细变频柜机辅助元件清单见配置表。
3、二次风机
　　电动机型号：Y315S-4  110KW/380V/359A 
　　根据贵公司提供的实际运行数据，通过节能计算节能达到51.3%。 
　　ABB变频配置ACS800-04P-0140-3+P901，详细变频柜机辅助元件清单见配置表。
4、给水泵
　　电动机型号：Y315L1-2  160KW/380V/359A 
　　根据贵公司提供的实际运行数据，通过节能计算节能达到30%。
　　给水泵3台并联运行，正常2用1备，配置一台变频器调速运行，可通过切换单独控制任意一台给水泵，通过压力/流量反馈控制母管的压力和流量，满足汽包水的压力和流量要求。
   ABB变频配置ACS800-04P-0210-3+P901，详细变频柜机辅助元件清单见配置表。
 
八、ABB ACS800变频器介绍
　　在本方案提供的交流变频器装置为具有明确定义功能和接口的ABB最新一代的全数字交流变频器控制装置ACS800，其最大的优点就是采用了通用技术，使其具有广泛的适应性，即启动向导功能、自适应性编程、DTC技术、通用的接口技术以及基于选型、调试和维护的通用软件工具。ACS800的核心技术是最先进的直接转矩控制（DTC），其稳定杰出的性能使传动产品在HVAC系统中发挥最大的功效。ACS800可以通过设置参数来选择不同的操作方式和各种功能，其变频器内置PID宏，可以通过压力传感器的反馈信号构成压力闭环控制。

ACS800系列变频器的特点：

*        将DTC技术和模糊控制理论合二为一，构成高性能、低成本的变频器调速产品，并且性能大大优于矢量控制变频器。
*        在DTC中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味者传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在DTC中不需要对电压、频率分别控制的PWM调制器。因此没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，同时也降低了变频器本身的功耗。
*        标准内置交流电抗器，明显降低了进线电源的高次谐波含量，大大降低了变频器的电磁辐射，同时保护整流二极管和滤波电容器免受电压、电流的冲击。
*        ACS800内置五个标准应用宏(工厂宏、手动/自动宏、PID控制宏、顺序控制宏、转矩控制宏)和两个用户宏(自定义宏)。PID控制宏，可直接用于压力、风量、流量等类型的过程控制，而不需要任何附加电路。
*        丰富、灵活的自适应性编程，如同一个小型的PLC安装在变频器内部。在无需任何附加软硬件支持的情况下，用户可以自由地定义程序块的输入、程序块与I/O口或控制器的连接，以实现逻辑运算、数学计算和过程控制的功能。
*        ACS800控制盘有四种不同的键盘模式：实际信号和故障纪录显示模式、参数模式、功能模式和传动选择模式。在实际信号显示模式中可以同时监视三个实际信号，诸如频率、转速、电流、流量等信号。
*        启动向导功能，使ACS800的调试变得非常简便。当用户第一次给传动上电时，启动向导会引导用户完成所有的调试步骤，用户不必再担心会忘记设置某组参数。

ACS800的优越性能：

*        电源断电时的运行—ACS800将利用正在旋转着的电机的动能继续运行，只要电机旋转并产生能量，ACS800将继续运行。
*        零速满转矩—由ACS800带动的电机能够获得在零速时电机的额定转矩，并且不需要光码盘或测速电机的反馈。而矢量控制变频器只能在接近零速时实现满力矩输出。
*        起动转矩—
DTC提供的精确的转矩控制使得ACS800能够提供可控且平稳的最大起动转矩。最大起动转矩能达到200%的电机额定转矩。       
*        自动起动—ACS800的自动起动特性超过一般变频器的飞升起动和积分起动的性能。因为ACS800能在几毫秒内测出电机的状态，任何的条件下在0.48s内迅速起动。而矢量控制变频器则需大于是2.2s。
*        磁通优化—
在优化模式下，电机磁通被自动地适应于负载以提高效率，同时降低电机的噪音。得益于磁通优化，基于不同的负载，变频器和电机的总效率可提高1%~10%。
*        磁通制动—
ACS800能通过提高电机的磁场来提供足够快的减速。ACS800持续监视电机的状态，在磁通制动时也不停止监视。磁通制动也能用于停止电机和从一个转速变换到另一个转速。而其他品牌的变频器所使用的直流制动是不可能实现此功能的。
*        精确速度控制—ACS800的动态转速误差在开环应用时为0.3%s，在闭环应用时为0.1%s。而矢量控制变频器在开环时大于0.8%s，闭环时为0.3%s。ACS800变频器的静态精度为0.01%。
*        精确转矩控制—动态转矩阶跃响应时间，在开环应用时能达到1~5ms，而矢量控制变频器在闭环时需10~20ms，开环时为100~200ms。
*        危险速度段设置—可使电机避免在某一速度或某一速度范围上运行的功能，例如避开机械共振点（带）。ACS800可以设置5个不同的速度点和速度范围，电机通过危险速度范围时按照加速或减速积分曲线加速或减速。

良好的人机接口

    ACS800具有串行通讯接口，可以与CDP312R控制盘，也可以通过匹配不同的区域总线适配器与PC机或其它上位控制系统通信，以此完成操作、调试、诊断和控制的目的。
      
 
        － 传动控制盘CDP 312R
       CDP312R控制盘提供了下列信息和功能：
·      参数的设置和存储
·      参数的上装和下装
·      给定和实际值的显示
·      应用程序的修改
·      状态信息和故障记录器内容的显示
·      完成本地和远程操作切换控制
    具体的操作可参看标准操作盘手册。  
    － 服务和工程工具
    DriveWindow调试软件是ACS800产品系统的一个通用的工具。它可以同时对几个不同型号的传动装置进行调试、控制和监控。目标传动在程序初始化期间被自动确认。
·      系统配置—提供传动系统的整体信息。
·      传动盘—本地/远程，起动、停止、改变方向、给定设置、阶跃功能和故障复位。
·      信号和参数--包括参数的上装和下载；改变参数值；将参数值存入文件；从文件中读取参数值；比较两组参数；寻找参数。
·      监视器--提供了传动信号值的图形接口，可同时监测来自六个不同传动装置的信号。有设置触发点，变换比例和打印输出等功能。
·      记录器功能--记录器用于控制传动装置内的数据记录器；显示传动装置记录下的特殊事件，每个事件都附有说明和时间记录；显示传动装置在运行期间所记录的最近的故障和警告，每个故障和报警都按发生的时间进行记录。

开放的通讯

    ACS600变频器具有广泛的通讯能力，通过选择不同的区域总线适配器，变频器可以与许多厂家的上位系统或PLC通讯。例如：
    区域总线适配器NPBA-02--支持Profibus-DP 协议，可以与SIEMENS公司等PLC通讯。
    区域总线适配器NCSA-01—支持CS 31 协议，可以与ABB公司的PLC通讯。
    区域总线适配器NMBA-01—支持Modbus 协议。
    区域总线适配器NMBP-01—支持Modbus+ 协议。
    区域总线适配器NIBA-01—支持InterBus-S 协议。
    区域总线适配器NDNA-01—支持DeviceNet 协议。
    区域总线适配器NAFA-01—支持Advant Fieldbus AF100 协议。
    区域总线适配器NLON-01—支持LonWorks 协议。

ACS800的技术数据：

*        供电电网连接：
       3相供电电压： U31N = 380…415V ± 10%
                  U51N = 380…500V ± 10%
                  U61N = 525…690V ± 10%
       频率：     48… 63Hz  最大变化率为17%/S
       短路能力（IEC629）：65KA 1s
       不平衡度：    最大为电网额定线电压的±3%
       基波功率因数：    COSØ 1 = 0.98 (额定负载下)
*        效率：
在额定功率下： > 98%
*        电机连接：
3相输出电压： 0…U31N/51N/61N
电机控制软件： ABB的直接转矩控制(DTC)
频率控制：    0…± 300 Hz
频率分辨率：  0.01Hz
功率极限：    1.5Phd
过流保护：    3.75I2hd
弱磁点：      8…300 Hz
开关频率：    3kHz（平均）
转矩控制：    转矩阶跃上升时间：
       开环   <5ms (在额定转矩下)
       闭环   <5ms (在额定转矩下)
       非线性：
       开环   ±4% (在额定转矩下)
       闭环   ±1% (在额定转矩下)
速度控制：    静态精度：
       开环   10% (电机滑差)
       闭环   0.01% (额定速度)
       动态精度：
       开环   0.3…0.4%s (100%转矩阶跃)
       闭环   0.1…0.2%s (100%转矩阶跃)
电机电缆的推荐最大长度：在DTC控制模式下，15KW以上为300米；15KW以下为   100米。
冷却方式：       内部风机，流通方向为：从底部流向顶部。
保护等级：       IP55（UL Type 12）
传动单元外壳：   PC/ABS2.5毫米,颜色NCS1502-Y
                 热镀锌涂层钢板1.5到2.0毫米，涂层厚度100毫米
                 可延展铝AISi
 
*        
保护功能：
 
*        可适用标准：  传动单元遵循下列标准：
                 EN50178 测试
                 EN60204-1  评估
                 EN50178（1997）   使用在动力装置上的电气设备
                 EN60204-1（1997） 机械安全。机械电气设备--第一部分
                 EN60529，IEC60664-1（1992）机壳的防护等级（IP编码）
                 EN61800-3+Amendment A11(2000)   EMC产品标准，包括测试方法
                 UL508C  UL安全标准，电源转换设备，第二版
                 CSA本C22.2       工业控制设备
                 AS/NZS2064(1997)  工业、科学和医学放射设备的电子干扰特性
                            的限制和测量方法
环境条件：
 
*        标准I/O接口板的配置：
3个可编程的差分模拟输入口： 1个电压源信号±0（2）~10V，
              2个电流源信号0（4）~20mA
7个可编程数字输入口：       输入电压24V，滤波时间1ms
2个可编程模拟输出口：       0（4）~20mA
3个可编程继电器输出口： 24V或多或115/230VAC
 
九、总结 
对风机、泵改造表明：
1. 采用交流变频器对风机进行节能改造具有结构简单、改造方便、节能效果明显、投资回收期短的特点。
2. 使用变频器后，风机可软起软停、减少设备机械冲击、延长设备使用寿命、降低设备的维修费用。
3. 变频调速技术先进、成熟，提高了设备的技术含量。
随着电力电子技术的发展，变频器的各项技术性能也得到拓宽和提高，在热电行业中，风机水泵类负荷较多，充分应用变频器进行节能改造已经逐渐被大家所接受。对于目前低压变频器，投资较低、效益高，一年左右就可以收回投资而被广泛应用。
十、部分工程业绩
l       广宁鼎丰造纸厂
30T/h燃煤锅炉鼓、引风机，給水泵变频节能改造工程
l       肇庆粤肇晖化工厂
10T/h余热锅炉主风机，给水泵、循环泵变频节能改造工程
l       东莞雄风纸厂
30T/h锅炉鼓、引风机，給水泵变频节能改造工程
l      东莞亚泰造纸厂
30T/h锅炉鼓、引风机，給水泵变频节能改造工程
l      东莞永安造纸厂
50T/h循环硫化床锅炉一次风机、二次风机，引风机，给水泵变频节能控制柜的设计、安装、调试。
l      云浮硫铁矿化工厂
10T/h余热锅炉风机、给水泵、循环泵变频节能改造工程
l      佛山华丰造纸有限公司珠海分公司
75T/h循环硫化床锅炉一次风机、二次风机，引风机，给水泵变频节能控制柜的设计、安装、调试。