基于变频调速技术的冷凝式锅炉节能特性分析及应用

罗沅富，李伟雄，刘宇清

（广州特种承压设备检测研究院，广州 510700）

冷凝式锅炉产生于西欧和美国，20世纪70年代以来，有关国家积极研制相关节能产品，努力降低排烟温度（控制在40 ～45℃），并利用冷凝式锅炉提高热效率（保持在107%～109%）[1]。这有助于减轻锅炉排放对大气的污染，深入开展环保工作，该技术在国外得到广泛应用。为了节约能源，有效保护环境，我国积极开展冷凝式锅炉研究工作，也取得了显著的成果。

随着计算机技术的迅速发展，变频调速技术成为改进电机交流技术、推动节能技术发展的一种重要手段。变频调速技术有很多优点，如调速和起制动性能优异、节电效果好、高效率、高功率因数、适用范围广等，被视为最有发展前途的一种新兴调速方式[2-4]。所以，本文分析了基于变频调速技术的冷凝式锅炉节能特性和应用，以期为我国节能减排提供新思路。

1 基于变频调速技术的冷凝锅炉节能特性分析

1.1 燃料种类对冷凝式锅炉效率的影响

冷凝式锅炉把烟气温度降到露点温度以下，以回收烟气中水蒸气的潜热，提高运行效率。水蒸气潜热回收量是指指单位燃料完全燃烧后产生的水蒸气量，根据定义可知，高低位发热量的差值即为理论上冷凝式锅炉回收热量的最大值[5-6]。冷凝式供热锅炉燃用各种代表性燃料时的低位热效率的最大值如表1所示。

表1 冷凝式供热锅炉燃用各种代表性燃料时的低位

由表1可知，不同种类燃料的高低位发热量存在较大的差异，在运用于冷凝式锅炉时，这些燃料能够提高的热效率也不同，含氢和水分较高的燃料存在较大的高低位发热量差值，其适合用作冷凝式锅炉燃料；燃料中的氢含量和水含量不同，导致燃料燃烧后烟气中水蒸气的温度不同，如果其他条件相同，氢含量和水含量较高的燃料所产生的烟气中水蒸气温度较高。测试表明，烟气中二氧化碳含量越高，露点温度就越高，过量空气系数就越大。

1.2 锅炉排烟温度对冷凝式锅炉效率的影响

冷凝式锅炉回收烟气中水蒸气的潜热时，必须把烟气温度降低到水蒸气露点温度以下[7-9]。回收烟气中水蒸气时，分为两个部分：一是烟气显热，二是烟气中水蒸气的汽化潜热。图1为不同排烟温度下理论上的锅炉效率。

图1 不同排烟温度下锅炉热效率曲线（低位效率）

由图1可以看出，随着排烟温度发生变化，锅炉效率分成了两个较为明显的区域。当排烟温度在60 ～180℃时，锅炉效率变化缓慢；当排烟温度在20 ～60℃时，锅炉效率变化较为明显。原因是在排烟损失中，水蒸气的温度散失大于烟气显热的散失。从理论上说，锅炉排烟温度达到20℃时，锅炉效率可以达到106.9%。

1.3 变频调速原理和节电分析

由变频调速公式可以看出，电机转速与输入频率成正相关。人们可以通过改变电源频率，调整电机转速，达到调整风机转速的目的。由比例定律可以得出，风机流量Q、轴功率P与电机转速n的关系分别为：

由式（1）、式（2）可以看出，风机流量与电机转速的一次方成正比，风机轴功率与电机转速的三次方成正比。因此，当风机流量呈下降趋势时，电机转速也会下降。根据式（1）、式（2）推算可得，变频调速时的节电率公式为：

由式（3）可知，采用变频调速技术可以改变电源频率，可以通过改变风机转速来调节风机流量，节能效果非常显著。

2 基于变频调速技术的冷凝锅炉的应用

2.1 变频调速技术在冷凝式锅炉中的应用

试验期间，使用一台型号为SEZ10-1.6-A Ⅱ的冷凝式锅炉设备，其中，引风机电机的功率为 55 kW、鼓风机电机的功率为30 kW。下面采用变频调速技术对设备系统进行改造。其中，变频调速设备采用西门子MM430 变频调速器，同时增加其他仪器设备，如压力传感器、氧量析仪、炉膛负压表等。人工操作界面采用上位监控计算机系统，对冷凝式锅炉的使用情况进行实时监测。其间对冷凝式锅炉的各个部分进行详细设计，使其与变频调控技术更好地融合。

首先是对风机控制系统的设计。在改造后的冷凝式锅炉控制系统中，PLC 即可编程控制器作为锅炉风机的主要控制系统，变频调速器作为锅炉的主要执行系统，两者是为锅炉风机提供可变频率的电源设备[10-12]。

其次是对引风控制系统的改造。改造后，冷凝式锅炉的炉膛上安装负压变送器，将标准电压的信息送入PLC 的反馈渠道，将标准电压与炉膛内的实际电压进行对比。在PLC 系统中设置算法进行运算，将计算结果作为引风控制系统的频率，控制引风控制系统的电机转速，确保锅炉炉膛内的负压值稳定在设定的数值左右。

最后是对鼓风控制系统的改造。改造后，冷凝式锅炉的蒸汽管道上安装压力变送器，将标准的蒸汽压力送入PLC 的反馈渠道，将标准蒸汽压力与实际的压力进行对比。在PLC 系统中设置算法进行运算，将计算结果作为鼓风机变频器系统的频率，控制好鼓风控制系统的电机转速，确保锅炉炉膛内的负压值稳定在设定的数值左右。

2.2 改造前后的结果对比

对冷凝式锅炉进行变频调速技术改造，并对改造前后的冷凝式锅炉进行热效率和节电测试，比较两者的节能效果，测试数据如表2和表3所示。由表2可以看出，过量空气系数降低了25.23%，已基本达到理想值；炉渣的含碳量也降低了56.15%，燃料使用情况得到明显的提升，燃料的燃烧效率得到一定的提升，锅炉改造后，总体热效率提高了9.80%。

表2 锅炉改造前、后燃烧效果数据对比

表3 改造前、后用电情况对比

由表3可以看出，改造后，冷凝式锅炉的电机运行功率因数得到提高，平均值在0.9 以上；耗电量大幅度下降，引风机控制系统的节电率达到36%，鼓风控制系统的节电率达到了43.3%。

实践表明，基于变频调速技术的冷凝式锅炉具有显著的节电效果，锅炉的燃烧效率明显提高，从而节约电能，因此变频调速技术可以广泛地应用于冷凝式锅炉的改造中[13-15]。

3 结语

本文分析了基于变频调速技术的冷凝式锅炉节能特性，并将其与传统锅炉的使用情况进行对比，指出变频调速技术可以极大地提升冷凝式锅炉的节能效果。因此，要想做好节能减排工作，我国要积极研究和利用变频调速技术，从而提升冷凝式锅炉的节能效果。