一种工业燃煤锅炉风机节能方法研究.pdf

贵 州 科 学 3 0 1 6 7-- 6 9 ， 2 0 1 2 Gui z h o u S c i e nc e 一 种 工业燃煤 锅炉风机节能方法研究 邵红艳 邱望标 贵阳学院， 贵阳5 5 0 0 0 5 ； 贵州大学 机械2 12 程学院， 贵阳5 5 0 0 0 3 摘要 本文介绍一种采用西门子S 7 - 2 0 0 P L C控制变频器来实现工业燃煤锅炉鼓风机的无级变频调速， 实践证明， 与传统的 控制方式相比， 该调速系统可靠性更高， 节电效果明显。 关键 词 P L C ， 变频 器 ， 鼓风机 ， 节能 中图分类号T K 2 9 9 ． 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 3 - 6 5 6 3 2 0 1 2 0 1 4 3 0 6 7 - 0 3 A St ud y O i l Ene r g y - s a v i ng M e t h o d o f I n du s t r i a l Co al bo i l e r S H AO Ho n g - -y a n Q1 U Wa n g - b i a o G u i y a n g C o l l e g e ，G u i y a n g， G u i z h o u 5 5 0 0 0 5 ，C h i n a Ab s t r a c t S i e me n s s 7 - 2 0 0 P L C w a s a p p l i e d t o t h e i n v e r t e r c o n t r o l l e r i n o r d e r t o r e a l i z e s t e p l e s s f r e q u e n c y s p e e d r e g ul a t i o n 0 n i nd u s t r i a l c o a l b o i l e r b l o we r ．Pr a c t i c e a p p r o v e d，t h i s s y s t e m p o s s e s s e d hi g h e r r e l i a b i l i t y a n d e ne r g y s a v i n g a d v a n t a g e a s c o mp a r e d wi th t r a d i t i o n a l c o n t r o l l i n g me t h o d． Ke y wo r d sPL C，fre q ue n c y c o n v e r t e r ，bl o we r ，e ne r g y s a v i ng 1 前言 工业上使用的燃煤锅炉 ， 其引风机、 鼓风机的风 量调节 ， 绝大多数仍采用风门挡板 ， 以手动调节方式 为主。这种调节方式 ， 引风机、 鼓风机 自始至终以额 定功率运行 ， 不会随负荷需 要 自动调节转速以及风 量 的大小 ， 浪费大量的电力能源。而交流变频调速 技术的迅速发展 ， 使燃煤锅炉某些 电器控制 自动化 程度不高的问题得以解决。本文就是 以某工程公司 使用的工业燃煤锅炉鼓风机变频调速改造取得 的节 能效果 ， 表明工业燃煤锅炉设备 电气化改造 的探索 对节能降耗具有借鉴意义。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 1 9； 修 回日期 2 0 1 1 -09 - 3 0 作者简介 邵红艳 1 9 6 4 一 ， 男 ， 副教授 ， 研究方 向 机械设计 、 电器 控制 设计。E - m a i l s h a o h y 0 5 1 6 3 ． c o rn 通讯作者 邱望标， 教授， 研究方向 电器自动化控制。 E ma i l q i u wa n g b i a o 1 6 3． t o m 2变频调速节能原 理 图 1是风机的风压和风量特性 曲线图， 横坐标 是风量 ， 纵坐标 是风压 ， R是风 门阻力 曲线 ， J7v是风 机特性曲线 王化冰 ， 2 0 0 6 。从 图可看到， 风机运 行工况点 D点是风机的特性曲线 Ⅳ 与管网阻力 曲 线 的交点。当用调节风门挡板 的方式控制风量 时 ， 如果要减少风量， 就需要关小风挡板 ， 结果会使 风挡板的摩擦阻力增大， 阻力 曲线 由 移到 ， 风 压 由 移到 日 ， 风量 由 Q 减小 到 Q ， 运行工况点 由D点移到 A点。 用变频调速控制时 ， 风门是完全打开的 ， 阻力曲 线 R 原样不变， 这时风机的特性取决于其转速。如 果把速度从 降到 Ⅳ ， 特性 曲线也从 Ⅳn 降到 Ⅳ ， 结果工况点 D移到 C点 ， 风压由 下降到 日 ] ， 风流 量便从 减小到 Q ， 实现 了和前面一样 的风量控 制效果 、 6 8 贵 耐 料 警 3 0卷 图 1 风机 的风压 、 风 量特性曲线图 F i g 。 1 Th e c h a r a c t e r is t i c c u r v e g r a p h o f t h e wi n d p r e s s u r e a n d a i r v o lu me o f a i r b lo wer 根据公式 P r 式中 P为输出轴功率， k W； Q为风机流量 ， m ／ s ； 日为风机压力 ， P a ； 7 7 为风 机效率 张聚凯 ， 2 0 0 8 。 当用手动方式将风量从 Q 减小到 Q 时 ， 风机 运行在 A点 ， 根据 以上公式可求出运行在 A点 时风 机的轴功率为 P 。 ； 而变频调节方式将风量 从 Q 减小到 Q 时， 风机运行在 C点 ， 在 C点运行 风机的轴功率为 尸 1 O O O 7 7 ； 2点轴功率之差为 △ pP 。 一P c 。即用调节板控制风量 比用变频器控 制风量多消耗 △ P的能量， 并且 随着 调节门的不断关小 ， 这个损耗还要增加 。这是因为 采用变频调速控制时 ， 风量 Q 、 风压 日、 功率 P和转 速 之间有关 系 Q 1 n 2 ， ／ ／ 2 2 ， P2 詈 3 梁 锋 ， 2 0 0 5 。由上述公式可知 ， 转速减少时 ， 电机 的能耗 以转速的三次方 的速率下降， 因此 在非满负荷情况 下 ， 变频调速 的节能效果非常显著。 3鼓风机的变频调速改造 本研究采用西门子 S 7 - 2 0 0 P L C型变频器进行变 频改造， 改造前鼓风机的电路图如图2所示 ， 改造后 的电路图如 图 3所示 。 4其它控 制硬 件组成 变频控制系统 结构如 图4 所示 ， P L C 采用西 门 S B FU1 K M1 F Rl 图 2 改造前鼓风机 的控制原理 图 F i g ． 2 S c h ema t i c d i a g r a m o f c o n t r o l l i n g p r i n c i p l e o f a i r b l o we r b e f o r e u p gr a d i n g S B IGt 1 F R1 A B C 图 3 改造后 鼓风 机的控制原理图 Fig ． 3 Sc h e ma t ic d i a g r a m o f c o n t r o l l in g pr i n c i p l e o f a i r b lo wer a f t e r u p g r a d in g 子 7 - 2 0 0系列 模 块 ， 其 中主 机模 块 采用 C P U 2 2 6 P L C和 E M 2 3 5模 拟量 模块。P L C监控该 系统 所有 测控点 ， 实现对运行故障、 数据采集及传输故 障、 正 常数据储存 的实时监控 。一旦数据采集或变送器 出 现故障 如通讯中断等 ， 系统可输出报警信息、 必 要时关断锅炉运行 。 ‰ 她 1 期 邵红艳 ， 等 一种工业燃煤锅炉风机节能方法研究 6 9 图 4鼓风机变频调速控制 系统组成 F i g ． 4 Th e c o n t r o l s y s t e m o f f r e q u en c y s p e e d c o n v er s i o n o f a i r b l o we r 人机操作界面采用 P WS 触摸屏、 上位监控计算 机系统。通过 触摸屏、 上位监 控计算机 与 P L C相 连 ， 使锅炉的控制、 运行数据可实时显示 。上位监控 计算机、 触摸屏互为冗余 ， 实 现锅炉运行数据设置、 运行状态／ 故障报警信息、 历史事件记录等功能。触 摸屏替代原一台锅炉控制系统上多台操作／ 显示仪 表。控制系统实行多级管理及密码保护 。 5变频改造后 节 电效 益估算 表 1 锅炉鼓风机变频改造前后用 电比较 Ta b ．1 Co mp ar i s o n o f p o we r c o n s u mp t io n b e f o r e a n d a f t e r u p gr a d i n g f r e q u e n c y c o n v e i o n o f b o i l e r a i r b l o we r 表 2锅炉引风 机变频改造前后用 电比较 T ab ． 2 Co mp a r i s on o f p o we r c o n s u mp t io n b e f o r e a n d a f t e r u p g r a d i n g f r e q u e n c y c o n v e r s i o n o f b o il e r a i r i n t r o d u c e d ma c h i n e 从表 1 、 表 2 、 表 3中可知 ， 锅炉鼓风机变频调速 改造后 ， 鼓风机 、 引风机和上水泵每小时节电 △ P l 7 ． 0 5 ． 0 2 71 9 2 0一l 5 表 3 锅炉上水泵变频改造前后用 电比较 Ta b． 3 Co mp a r i s on o f p o we r c o n s u mp t io n b e f o r e a n d a ft e r u p g r a d i n g f r e q u e n c y c o n v e r s i o n o f b o i l e r f e e d p u mp 1 5 k W 鼓风机节电率 叼 2 8 ． 6％ 引风机节电率 叼 2 9 ． 7％ 上水泵节电率 叼 。 堕 2 5 ．0 ％ 锅炉按每年 3 0 0工作 日计算 ， 则每 台锅炉每年 节电折合人 民币约 1 5 x2 43 0 0 x0 ． 55 4． 0 0 0 元 6 结束 语 综上所述 ， 工业燃煤锅炉经过变频改造后每年 可节约至少 5 ． 4万元 ， 而锅炉 改造成本大约 1 O万 台， 则锅炉连续运行两年即可收回改造投资。此 外 ， 对锅炉进行变频改造后 ， 还会在其它方面带来积 极意义 ， 主要表现在以下几个方面 1 变频调速器在实现无级平滑调速过程中转 速平稳 ， 可 由零转速升至任 意转速 ， 风机 的启动 、 关 停实现了升速平滑启动和减速平滑停止 ， 少 了风机 启动中的强电流冲击 ， 同时也减少了机叶轮损坏和 机械磨损 ， 延长 了整个风机系统使用寿命 ； 2 风机运行工况点明显改变 ， 风 门可 以全部打 开 ， 完全 由转速调节流量 ， 操作方便 ， 控制精度高 ， 响 应速度快 ， 便于控制锅炉过剩空气量 ， 使炉热效率提 高； 3 避免用风挡板调节时， 因风挡板频繁动作而 脱落所造成 的锅炉停炉事故 ； 4 应用变频调速器后 ， 因风挡 板始终是全 开 的 ， 不需调整风挡板 ， 避免了用风挡板调节时风挡板 执行机构仪表部分的故障 ， 并节省了这部分 的维修 费用 ； 5 锅炉风机 现场 噪声 降低 ， 操作环境得 到改 善 ； 下转 第 7 2页 7 2 贵 咔 斜 学 3 0卷 周期产生的姿态角漂移 △ 0 ， 依 次类 推， 使 每一个摇 摆翅转周期 的姿态角愈来愈逼近真实值 ， 从 而提高 翅转姿态角测量精度 。 在载体工作软件中增加 了该翅转姿态角补偿算 法后 ， 经过载体反复摇摆翅转试验验证 ， 在进行长时 间摇摆翅转运动过程中， 姿态测量装置输出正常， 满 足性能指标要求 ， 姿态角输出见 图4 。 6 4 2 。 一 2 4 6 8 时间 m s 图 4补偿 后的迪转姿态角输出 Fig ． 4 Ou t p u t o f t h e U t u r n a t t i t u d e a n g le a f t e r c o mpe n s a t i o n 从图 4可以看出 ， 载体摇摆翅转姿态角 回程误 差很小 ， 长时 间 的摇 摆翅转 姿态 角输 出数据 均在 一 5～5 。 之间 ， 姿态角误差小于 0 ． 4 。 。 4 结论 通过利用翅转姿态角实时漂移补偿 ， 能够 消除 因 ME MS陀螺仪加速度效应误差 的影响， 从而有效 减小姿态测量装置翅转姿态角的测量误差。 另外 ， 由于国内 ME MS惯性技术还处于研制初 期 ， 仅有零位漂移在 3 0 。 ／ h的低精度 M E MS陀螺仪 工程化 ， 同时， ME MS惯性技术 应用还处 于初 级 阶 段 ， 误 差 模 型 还 不 完 善 ， 因此 ， 为 了更 好 的 应 用 ME MS惯性技术 ， 需要更深入 开展 ME MS陀螺仪 的 误差模型研究 ， 提高测量精度 。 『 R E F E RE N CE S] Wa ng SR，2 0 00．Si l i c o n Mi n i a t u r e I ne r t i a l De v i c e s Th e o r y a nd A p p l i c a t i o n M] ．N i n g S o u t h e a s t U n i v e r s i t y p r e s s ， 6 5 ． 7 0 i n C h i n e s e ． [ 附中文参考文献 ] 王寿荣， 2 0 0 0 ． 硅微型惯性器件理论及应用[ M] ． 南京 东南 大学 出版社 ， 6 5 - 7 0 ． 七七 - 6“ 七 - 6“ 七 K - “ K - “七 - 6“ - 6 “ - 6 七 K - “ 上 接第 6 9页】 6 采用了变频器对风量进行无级调节 ， 保证了 锅炉在较好的燃烧状态下运行 ， 可 以大大节省煤的 用 量 。 [ RE F E R E N CE S 1 L i a n g F ， 2 0 0 5 ．E x c h ang e e q u e n c y c o n v e r s i o n and a d j u s t t h e a p p h c a t i o n o f s p e e d t e c h n o l o g y i n t h e i n d u s t r y b o i l e r a i r b l o w e t [ J ] ．fl a n g x i e n e r g y ， 0 3 5 1 - 5 2 i n C h i n e s e ． Wang HB， 2 0 0 6 ． F r e q u e n c y c o n v e r s i o n a d j u s t s t h e a p p l i c a t i o n i n t h e air b l o w e r o f t h e b o i l e r i s t r a n s f o r me d of s p e e d t e c h n o l o gy [ J ] ． I n n e r Mo n g o l i a C o a l e c o n o m y ， 0 2 9 7 9 9 i n C h i n e s e ． Z h a n g J K， 2 0 0 8 ． D i s c u s s t h e e n e r gy c o n s e r v i n g a p p l i c a t i o n of t h e f r e q ue n c y c o n v e r t e r i n the e l e c t r i c s y s t e m o f t h e b o i l e r s i mp l y [ J ] ． A u t o m a t i o ni n s t r u m e n t a t i o n ， 0 4 9 2 9 4 i n C h i n e s e ． [ 附中文参考文献] 梁 锋 ， 2 0 0 5 ． 交 流 变频 调 速技 术在 工 业 锅 炉 风机 中 的应 用 [ J ] ． 江西能源， 0 3 5 1 5 2 ． 王化冰， 2 0 0 6 ． 变频调速技术在锅炉风机改造中应用[ J ] ． 内 蒙古煤炭经济， 0 2 9 7 - 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