用变频器改造锅炉的排风及供水系统

风机（鼓风机、引风机）和供水系统（给水泵、循环泵、蒸汽泵等）是锅炉辅机的的主要耗能（电能）部分。普通锅炉给排风和供水一般采用降压启动（或配套软启动器）、工频恒速运行的工作模式。不论是启动还是运行过程，都存在大量的电能浪费，并且由于风机或水泵长期在工频下工作，对其使用寿命也有影响。而采用变频器调速控制后，不但能解决软启动（启动电流小于额定电流），还能节约大量的电能。
通过对以往改造案例的统计，风机水泵在变频调速模式下工作，可节约电能20~45%。
一、锅炉系统简介


图1所示为锅炉系统框图。对锅炉来说，90%以上的用电量消耗在泵电机和风机电机上。
传统的给水控制是用继电器或接触器控制电机的起停，从而保证锅炉水位。当锅炉水位达到水位上限时，控制柜切断给水泵电机的电源，给水泵停止工作。当锅炉水位下降到水位下限时，给水泵开始工作。给水泵的起动一般采用“Y-△”转换启动或其他降压启动方式，有时候也采用软启动器。给水泵起动后一直在工频下运行，电机一般都处于满负荷状态。特别是频繁启动停止，一方面影响电机寿命，另一方面由于启动过程电流较大，电能损耗相对较多。
软启动器是通过可控硅降低输入电压，但并不改变输入频率，起动转矩和起动电流依旧较大。软启动器也属于一种降压启动方式，并不是真正意义上的软启动。
循环泵的工作受控于管道压力和锅炉压力。当管道压力较小时，用于补充压力，增加热水循环流量。一般采用双泵或多泵工作方式。循环泵的启动工作模式与给水泵相似。对管道流量调整时，一般通过手动调节流量阀，人为增加“流阻”，从而加大了能耗。
鼓风机和引风机（产生负压用）也是一种工频恒速运行模式。当所需要的风量较小时，减小风门开度；当需要风量较大时，增大风门开度，而电机一直处于满负荷运行状态，能量损耗较大。
一般地，为了保证风门执行机构安全可靠，风门最大开度为80%，而在工作过程，大部分时间内风门开度为50～70%。可见，大量的电能被白白浪费。
二、给排风及供水系统的变频改造
锅炉（包括工业锅炉和生活锅炉）的给排风系统和供水系统若采用变频改造，其实现方法十分简单，而且方案切实可靠，操作也非常简便灵活。如果配以相应的传感器或变送器，还可构造出自动化程度很高的闭环控制系统。下面就风机和水泵的变频改造做一简要介绍。
2.1鼓风机、引风机的变频改造
鼓风机和引风机改用变频器驱动的原理基本相同，实现起来非常简单。如图2所示，变频器安装在风机前端，其输出接风机电机。当所需要的风量较小时，可以通过键盘操作器实时调节（降低）电机转速，从而减小风量；如果所需风量较大时，可提高转速，以增加风量。
采用变频器后，可以省略风门执行机构和减速装置，更重要的是，具有良好的节电效果。
不用变频器时，电机必须始终都在满转速（额定）下运行，而风门开度最大时也只有80%，也就是说，理论上至少有20%的电能被浪费掉了；事实上，在实际运行中，风门开度一般在50～70%范围，也就是说至少有30～50%的电能被浪费掉了。而采用变频器后，这部分电能就被节省下来。
理论上，流量（气体或液体）与转速的平方成正比，而电机能耗与转速的立方成正比，所以，当变频器将电机的转速降低时，电机实际消耗的电能将更大幅度减小。


从图2可见，如果在风道内安装流量传感器，取其信号送给变频器，通过设定期望的流量值，可以完全实现自动控制，此时，调用变频器内置的PID调节器，可以实现一阶闭环控制，不但控制精度高、运行平稳，还能节省人力。
2.2水泵的变频改造
水泵采用变频器驱动时，其接线和操作同变频改造后的风机一样便于操作。由于给水泵和循环泵的工作特点不同，这里分别予以介绍。
2.2.1给水泵的变频改造


给水泵与变频器的连接如图3所示，锅炉水位信号（低水位和高水位）送给变频器控制端子，当达到高水位时，变频器切断输出，使水泵停止工作；当低于低水位时，变频器开始工作。
也可以通过变频器参数设置，将2个水位信号当作PID控制中的上下限设定值，从而启动PID调节器。采用PID调节的优点在于，冷水管道无冲击、锅炉水位始终维持在某个范围。
当然，采用变频器另一个好处就是显着的节能效果。由于省去了进水口的流量阀，水泵可以工作在低于额定值的转速上，这样可以节省电能消耗；另外，当水位接近高水位时，电机转速可以降低较多，使节能效果更加明显。


另一方面，还可以通过压力检测来实现全程柔性PID控制，从而更有效的节约电能，如图4所示。远传压力表可将锅炉静压力信号（可模拟锅炉注水水位）反馈给变频器，变频器自动调整输出频率，从而调节泵电机的转速，使系统压力保持恒定，即，使锅炉水位保持一定。
2.2.2循环泵的变频改造
图5是循环泵与变频器的连接示意。最简单地用法是完全模拟传统操作，但不需要流量阀。当需要降低管网流量时，可通过操作器（或者外接电位器）实时降低电机转速，从而减小循环管道的流量；当需要升高管网流量时，可通过操作器（或者外接电位器）实时提高电机转速，从而增加循环管道的流量。


还可以通过流量传感器组成闭环调节系统。如图所示，流量传感器信号（模拟量信号）送至变频器，作为系统被测信号，与设定值比较，进行PID调节。
采用PID调节能大大减少电机启动频次，节省电能消耗；更重要的是在调节过程中，电机转速大部分时间里都低于额定转速，这样可更显着地节约电能。当然，采用自动化控制，还可减小劳动强度，甚至减少人力投入。