调速技术锅炉引风机节能改造范文

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摘要:循环流化床锅炉作为新一代节能燃烧设备在现代工业生产中发挥着重要的作用，对促进节能增效和经济安全生产具有积极的意义。引风机是有效调节循环流化床锅炉供热量和控制炉膛负压的重要设备。以某热电厂循环流化床锅炉为例，对锅炉烟风系统引风机运行工况进行分析，在对不同工况下引风机节流调节特性进行分析的基础上，基于变频调速技术对引风机运行调节方式进行改造和优化。实践表明，变频调速技术在提高引风机调节性能和节能降耗方面具有显著的效果和良好的应用前景。

关键词:变频调速;引风机;循环流化床锅炉;节能

循环流化床锅炉(circulatingfluidizedbedboil-er，CFBB)技术是最近三、四十年才在国际上兴起的一种节能高效和低污染的锅炉燃烧技术，具有燃料适应性广、负荷调节性能好以及燃烧效率高等特点，被广泛应用于煤矿、电站以及废弃物处理等领域。通常情况下，对于煤粉锅炉和其他一般燃烧锅炉来说，锅炉风机的风量和风速控制主要采用调节风门和挡板的开度大小对锅炉炉膛压力、风机风速和风量等指标进行控制，风机一直是处于全速运转的状态;其运行工况和生产负荷的变化之间没有直接的关系。循环流化床锅炉因为其独特的燃烧特性，对于风机风量和风压的控制要求更高。出于节能降耗的迫切需要，从锅炉燃烧的经济性和安全性角度出发，如何有效合理的匹配锅炉风机送风量和燃料量，确保锅炉风机引风量和一次风量相配合，对于循环流化床锅炉高效低耗和安全运行具有重要的意义。李志伟等［1］针对锅炉一次风机、二次风机在不同负荷下进行了黏液调速改造研究;并对改造前后的功率进行了对比分析。阳绍伟等［2］根据风机相似理论，结合风机性能曲线和风道阻力特性曲线对风机在变工况条件下的节能调节原理进行了分析研究。在前人研究成果的基础上，本文以某热电厂75t/h循环流化床锅炉为例，创新性地应用“高压变频器+低压电动机”调速方案对传统的风门挡板调节设计进行改造优化;并对两种方案在不同工况下的运行参数和变频改造前后的节能效果进行对比分析，证明了变频改造在循环流化床锅炉风机节能改造中的实用价值。

1循环流化床锅炉风机系统及运行工况分析

1.1循环流化床锅炉风机系统概述锅炉风机常见于锅炉燃烧系统、给风系统和通风系统等结构中。循环流化床锅炉在燃烧过程中会在其燃烧室内产生大量的床料，床料的流化、炉渣的排放以及烟灰的输送等环节基本上都是靠风来实现的。因此，循环流化床锅炉区别于其他一般类型锅炉的典型特点之一就是具有更为复杂的风系统，风机种类繁多;其运行情况直接影响循环流化床锅炉的经济、安全运行。循环流化床锅炉的风系统主要包括燃烧用风和输送用风系统两个部分，常用到的设备主要有一次风机、二次风机、引风机、点火风机和播煤风机等风机设备。其中，一次风机、二次风机和引风机是循环流化床锅炉的主要耗电辅机设备［1］，在床料流化、助燃和维持炉膛负压、平衡炉膛通风等方面发挥着重要的作用。典型循环流化床锅炉风机系统如图1所示。在循环流化床锅炉风机系统中，一次风机多为容量较大的高压风机，在锅炉工作中用途最多、功率最大，一次用风量占锅炉总风量的比重高达65%以上。相比之下，二次风机的容量一般较小，所产生的风量一般为总风量的30%左右［2］。二次风机送出的风主要经过空气预热器进行加热以后，由二次风口送入燃烧室，利用所携带的氧气起到炉内助燃的作用;同时，二次风还能够有效地调整炉内温度场的分布，防止和避免局部烟气温度过高;引风机在循环流化床锅炉工作过程中主要起到维持炉内负压、保证炉膛内通风平衡的作用;同时，将炉膛床料燃烧后所产生的烟气从锅炉中抽出，经除尘装置除尘后由烟囱排入大气。通常情况下，引风机主要采用低压头大流量的离心风机，是确保循环流化床锅炉安全运行必不可少的设备之一。

1.2循环流化床锅炉烟风系统引风机运行工况分析循环流化床锅炉风机系统在运行过程中的动力设备主要采用三相异步电动机。这种高耗能设备启动电流大，且输出功率和消耗能量一般不会随着负荷的变化而变化，通常情况下风机的性能主要通过调节挡板和风门开度大小来调节，当运行工况发生变化时，风门、挡板的节流损失很大，从而造成严重的能量损耗。为了对循环流化床锅炉烟风系统引风机的运行工况及性能进行分析，以某热电厂1#炉一台额定蒸发量为75t/h的循环流化床锅炉为例，对不同运行工况下锅炉烟风系统两台离心式引风机的运行状态和性能参数进行研究，其1#炉烟风系统结构如图2所示。1#锅炉烟风系统引风机型号为SFYX75—1No19.5D，风压4272Pa，风量159215Nm3/h(Nm3指在0℃、1个标准大气压下的气体体积)，转速为960r/min。引风机配套三相异步电动机型号为Y400—6，额定功率315kW，额定电流36.4A，额定电压6kV。1#炉在设计建造时主要采用传统的方式，通过调节风门挡板的相对开度进行风量和节流调节，主要包括进口风门调节和出口风门调节两种类型，引风机则主要采用定速运行的方式。引风机在运行状态下的性能参数主要有风量、风压、功率、效率和转速等等。根据锅炉引风机的工作运行数据可以通过绘制风压、功率以及效率和引风机风量之间的关系曲线，对引风机的工作范围和设计工况等进行分析，一般来说主要包括风量-风压曲线、风量-功率曲线和风量-效率曲线［3］。通常采用风量-风压曲线来表征锅炉引风机的工作特性。锅炉燃烧排烟过程中烟道阻力主要产生于锅炉水平烟道、尾部烟道、除尘器以及脱硫装置等等，根据引风机运行特性以及烟气侧阻力特性，可得到循环流化床锅炉引风机节流调节特性曲线如图3所示。随着循环流化床锅炉负荷的变化，在传统的风机节流调节方式下，引风机的转速不变，需要对风门挡板的相对开度进行调节以获得不同的风量，风道阻力特性曲线将会发生变化，随着锅炉负荷的减少，通过节流调节能够获得较少的风量，但是管道内管网阻力和风压将会增大。在此过程中，风门挡板开度减少将会消耗掉一部分风机功率，产生较大的节流和涡流损失。在不同锅炉负荷下，通过调节风门挡板开度所得到的挡板调节数据如表1所示。根据表1所示，在引风机定速运行状态下，引风机的实际气动性能要高于循环流化床锅炉烟风系统对引风机的实际性能要求，采用传统的节流挡板调节方式，引风机长期处于低效高耗能状态运行，能源浪费现象非常严重，无法满足和适应节能减排的行业要求和主流发展趋势，因此，有必要对引风机的节能降耗和性能优化进行研究。

2基于变频调速技术的循环流化床锅炉引风机节能改造分析

2.1风机变频调速节能控制原理变频调速技术是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速和调节负荷目的的技术。变频调速节能控制具有调节性能好、控制精度高和节能效果显著等特点，因此被广泛应用于电机低负荷运行的机组中。风机是一种利用电动机的轴功率来进行气体传送的机械装置，风机的变频调节主要是利用风机的相似定律，在不改变风道阻力特性曲线的情况下，通过调节风机运行速度改变风机的性能曲线，达到调节风机运行工况的目的［4］。当风机电动机的转速发生变化时，在不考虑风道变化因素情况下，循环流化床锅炉中的一次风机、二次风机和引风机的风量Q、风压H与机械轴功率P分别与电动机转速、转速的平方以及转速的三次方成正比，有:式中:Q1、Q2、H1、H2、P1、P2为风机转速为n1、n2时的风量、风压、轴功率。如图4所示为风机变频调速控制前后管网的特性曲线。在电动机转速为n1，已知风机特性曲线上一工况点A对应的风量为Q1，当锅炉负荷发生变化，需要将风量由Q1降低至Q2，如果采用传统的调节风门挡板的办法，则将会增加管网的阻力，管网特性曲线将会向上移动，锅炉风机系统的运行工况将会由A点移动至B点，所需轴功率P2∝SH2×Q2，SH2×Q2指(H2，Q2)点的通流面积H2Q2;当采用变频调速控制，直接改变风机电动机的转速，则管网特性不受影响，转速由n1降至n2，风机特性曲线将向下移动，原运行工况点将由A点移动至C点，所需轴功率P3∝SH3×Q2，SH3×Q2指(H3，Q2)点的通流面积H3Q2，电机的轴功率显著下降。相对于传统的挡板节流控制，在变频调速控制下所节约的轴功率ΔP∝S(H2－H3)×Q2，表示节约轴功率正比于面积(H2－H3)Q2。实践统计显示，在考虑风机减速以后必要的效率下降和调速装置的附加损耗以后，采用变频调速控制约可以节能30%～35%左右，节能效果明显。

2.2循环流化床锅炉引风机变频调速节能改造方案及实施经过综合调研分析，采用“高压变频器+低压电动机”调速方案改造传统的风门挡板调节设计，采用HIVERT—Y06/173型高压变频器三相Y联接直接给电动机供电。高压变频器自带的“商用电切换”功能能够对变频和工频电源实现无扰切换，当变频装置出现问题时能够立刻断开进、出线开关，隔离变频器，同时将电源自动切换至工频电源，大大增强了锅炉运行的安全性和稳定性。根据中国工业用电电压等级标准，高压变频器主要是指采用3kV、6kV和10kV几个电压等级的变频器，某热电厂厂用电压采用6kV，经改造后1#锅炉烟风系统引风机变频器接线图如图5所示。图5中，虚线框内为引风机改造变频器装置，采用一拖一自动旁路装置，空气隔断器QF为原引风机高压开关断路器，KM1、KM2和KM3为变频器内部的真空接触器，QS1和QS2为变频器内部手动隔离开关。变频运行时，6kV电源经过高压开关断路器QF、引风机变频器电源侧开关KM1和电源侧隔离开关QS1进入高压变频调速装置，其中移相变压器的主要功能在于将接收到的高电压经过转换输出低电压并将其输入功率模块，采用多重化设计能够抵消变压器各绕组之间的谐波电流，减弱直至消除配置变频器所引起的电网谐波污染;变频调速装置输出经过负荷侧隔离开关QS2和KM2输送至电动机。正常运行情况下，KM1、KM2、QS1和QS2闭合，引风机通过变频器实现变频节能运行。系统改造后，高压变频调速控制系统设有自动闭锁系统，运行状态下，电源侧隔离开关QS1和负荷侧隔离开关QS2不能操作，KM2、QS2和旁路开关KM3之间互相闭锁，即在引风机正常工作状态下，不能通过手动操作实现变频运行向工频运行的转换。当高压变频器出现运行故障时，系统将自动从变频运行切换至工频运行，旁路开关KM3闭合，确保风机持续运行。功率单元包括三相全桥整流器、滤波电容器组合绝缘栅双击半导体逆变桥等等，是整套变频装置实现变压变频输出的基本单元，相当于一台交-直-交电压型单向输出的低压变频器。功率单元主要通过控制绝缘栅双击半导体的运行状态，对外输出脉冲宽度调制信号［5］。不同的功率单元之间都有确定的相位偏移，以保证对外输出正弦阶梯状PWM波。对原1#炉烟风系统引风机实施变频调节后，主要通过DCS系统对引风机实施变频调速控制，根据锅炉烟气温度、锅炉蒸汽温度和负压等模拟参数调节控制系统输出值并自动反馈给变频器，由变频器根据信号对引风机电动机的转速进行自动调节，实现节能运行的目的。

2.3引风机变频调节效果分析2.3.1引风机运行故障控制效果分析1#循环流化床锅炉引风机的变频器控制电源采用直流和交流双路供电设计，变频器控制电源和主电源之间是相互独立的。当交流电源出现故障时，依靠UPS或者直流供电仍然能够保持引风机正常工作。除此以外，在变频器装置中配置有单元旁路功能，在DCS控制系统出现输出信号故障或者其他局部故障的情况下，利用故障单元旁路减少因变频器故障造成的停机次数，从而降低系统停产经济损失［5］。实践表明，利用变频调速技术对引风机进行节能改造后，烟风系统运行的安全性大大提高，锅炉运行的自动投入率显著上升。2.3.2节能效果分析采用传统的风门挡板调节方式对引风机风量进行调节，随着锅炉负荷和所需风量的减小，引风机的运行效率急速下降，风机挡板节流损失较大。基于变频调速技术调节风机风量，变频调速装置是根据风机流量特性实现对系统的变速变流量控制［6］。根据式(3)可知，引风机功率与转速的三次方成正比，通过调节转速减少风机风量，风机轴功率将以转速的三次方递减，能够有效地节约电能。变频调节方式下引风机管网特性曲线如图6所示。风机运行工况点及风机本身特性曲线和管网特性曲线的交点，在变频调节下，管网特性曲线不变，随风机转速调节，风机本身特性曲线发生变化，则风机运行工况点随之发生变化［7］，由图6可知，当风机电动机转速下降，则风机工况点向下移动，引风机轴功率逐渐减小。1#锅炉烟风系统引风机经变频调节改造后运行基本稳定，在不同负荷下引风机变频调节数据如表2所示。由表2可知，变频调节后，与风门挡板节流调节方式相比，在相同的工况下风机全风压和电动机功率下降幅度较大，引风机运行效率基本变化不大。从引风机耗电量指标来看，在变频调速控制下，引风机耗电量约相当于挡板节流调节控制下的65%～70%，节能约30%～35%，如图7所示。可见，采用变频调速技术改造后，引风机节能效果显著。除此以外，1#循环流化床锅炉引风机经变频改造后，高压变频器在实际运行过程中状态稳定。电机在变频启动下，启动电流相对于工频启动较低，仅相当于电机额定电流的1～1.5倍，减弱了设备启动时的冲击力，从而能够有效延长系统设备的使用寿命。变频调节方式下对提高引风机功率因数、减少对电网冲击和干扰、改善系统设备运行条件等方面都具有积极的影响［8］。

3结论

风机系统是循环流化床锅炉系统的重要组成部分，在锅炉燃烧运行过程中发挥着重要的作用。传统的节流挡板调节风量的做法主要依靠调节风门开度、增加阻力的方法实现风量的调节，管道特性发生改变，风量线性度不佳，风量调节经常出现异常情况。除此以外，传统的节流调节方式下调节挡板前后压差较大，风机风量和风压富裕度过大，实际工况点远低于设计值，存在较大的涡流和节流损失。实践表明，基于变频调速控制的锅炉风机系统改造对实现锅炉运行节能降耗和提高锅炉系统运行工况具有显著的作用，变频调速控制是在不改变管道特性的情况下通过调节风机电动机转速实现对风量的调节控制，风门挡板处于全开的状态。相对于传统的节流调节方式，变频调节技术能够保证风机一直维持在高效点运行，节能率高达30%～40%，因此，变频调速技术在风机节能改造方面拥有较好的发展前景和实用价值。

参考文献

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8吴剑恒．75t/h循环流化床锅炉引风机节能改造．能源技术，2008;(1):53—56，59

作者：陈宝怡 赵伟杰 单位：河北能源职业技术学院