变频调速技术在锅炉控制系统中的应用

摘要：在锅炉控制中应用变频调速技术是减小能耗的有效措施。文章首先简单介绍了变频调速在节能方面的优势，然后阐述了锅炉燃烧控制系统的设计方法，最后对常用的几种控制方案进行了比较。

关键词：变频调速；锅炉；自动控制；节能；燃料调节器；送风调节器；引风调节器

中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）32-0052-03

1　概述

作为交流调速方法的一种，变频调速利用变频器对电源频率进行调节，可以连续平滑地对电动机进行高效率的无级变速。采用变频调速技术可以使锅炉在运行的时候减少耗能。锅炉拥有非常广的应用层面，例如在供热、发电、化纤、机械制造等行业，作为这些行业不可缺少的动力来源，其应用量非常大。在设计和挑选锅炉风机时，原则是能与锅炉最大负荷相匹配，这样一来，在锅炉风机工作在70%额定电流时，它就可以正常工作。因此，便造成风机能力过剩，在减少能耗方面能有所作为。在控制锅炉风机的风量时，传统方法基本采用控制加大管路阻力的风门调节，而风机带动电机时，电机以全速转动，这种“大马拉小车”的方式，严重降低了效率，增大了能耗，浪费了大量电能。在控制锅炉风机的风量时，采用变频调速技术，则可以摒弃风门调节方式，不再需要加大管路阻力，使锅炉进风量变小，进而可使电机转速降下来。因为电机功率和转速的立方之间的关系是成正比的，所以在很大程度上降低了能耗，突显了节能

效果。

2　控制系统的设计

变频调速技术在锅炉控制系统中的应用主要体现在对燃烧系统进行控制。锅炉变频燃烧控制系统中均采用具有比例积分功能的多通道输入调节器。比例积分作用能使系统负荷在非动态时，蒸汽和炉膛的负压均与主调节器的给定值相等，燃料和送风调节器的输入均为零，这样，空气在锅炉中的占空比便仅由送风调节器调节。当系统负荷处于动态变化时，蒸汽压力和给定值之间产生并存在偏差，由于蒸汽压力由主调节器接收判定，所以主调节器向送风调节器和燃料调节器发送信号，以调节燃料量和送风量，使其与新的负荷相匹配，使系统重新回到静态平衡。

锅炉变频燃烧控制系统主要由燃料调节器、送风调节器和引风调节器三个系统构成：

2.1　燃料调节器

燃料调节器主要受主调节发出的以蒸汽压力反映的负荷信号和以热量信号反映的燃煤量信号控制。燃料调节器通过控制燃料变频器进而调控给煤机的燃料量，使其匹配系统负荷要求。

锅炉在燃烧时，蒸汽压力减小，则说明锅炉产汽量不足供应系统所消耗的蒸汽量；蒸汽压力增大，则表明锅炉产汽量过剩。

系统改变燃煤量的大小主要是通过燃料变频器对给煤机的转速进行调控来实现的。由于直接在炉膛中测量燃煤量很难实现，所以目前多使用间接测量法，即用蒸汽流量来反映燃煤量。在蒸汽压力和蒸汽温度稳定恒定的情况下，蒸汽流量可以准确地反映出燃料发热量。但是，若燃料量处于非静态平衡时，在锅炉内部的汽水中会注入部分热量，加快了汽包压力的变化速度，从而影响了蒸汽压力的大小。因此，燃料量的测量信号可以由蒸汽流量D和汽包压力变化速率决定，即热量信号Q=D+CK×dPB×dt。

2.2　送风调节器

送风调节器主要受主调节器发出的以蒸汽压力反映的负荷信号和送风量信号控制。送风调节器通过控制送风变频器进而调控鼓风机的送风流量，使其匹配系统负荷要求。

使空气和燃料的比例达到最佳的空燃比，可以使锅炉实现经济燃烧，进而提高燃烧效率。将过剩空气降低到近于理想水平又不出现CO和冒黑烟，这就需要对燃烧过程进行自动控制，实现最佳的空气、燃料比。若空燃比不合理，则会造成热量损失并且消耗燃料。而空燃比同时受燃料和送风环节调控，燃料量和送风量与负荷匹配时，为最佳空燃比。然而，煤炭主要靠氧气进行燃烧，因此，可以在合理的空气和燃料的比例上，再对烟气中的含氧量进行测量，以准确校正送风量。目前，因具有迟延时间短、惯性小的优点，多使用氧化锆对烟气中的含氧量进行测量。

2.3　引风调节器

引风调节器主要受炉膛负压信号控制，并和送风调节器两者之间动态联系。引风调节器通过控制引风变频器调控引风机的引风流量，进而控制炉膛负压。

锅炉的炉膛压力如果过小，易导致喷火现象产生；炉膛压力如果过大，则会使锅炉产生漏风现象，增大烟气热损失，影响锅炉的经济燃烧。因此，有必要保持炉膛的压力符合给定值。

煤粉在锅炉中燃烧时，会给炉膛负压带来脉冲振动，影响调节器正常工作，传统方法是在接收炉膛负压信号前添加滤波器，但这便延迟了测量信号，使引风和送风调节器不再同步工作，导致炉膛负压和给定值的偏差较大。因此，可把动态联系装置安装在送风和引风调节器两者之间，它可使动态过程中引风调节器随送风调节器同步工作。另外，在静态平衡下，动态联系装置不作用，炉膛负压还是仅由引风调节器控制。

3　控制方案的选择

目前应用于工业中的锅炉控制系统的方案主要有以下几种：

3.1　引风、送风、燃料系统均为开环控制

此种方案中锅炉的三个子系统都采用开环控制，即将变频器和所驱动的电机直接相连。静态运行状态下，变频器工作在恒定频率下；当处于动态工作条件下，直接对变频器的频率进行重新设定，进而对所控电机的转速进行调控，以达到燃料量和送风量与新负荷匹配、空燃比合理、炉膛负压恒定的目的。这种开环控制方案设计简单、应用容易，但缺点是调节质量差、耗能多。

3.2　引风系统和送风系统为闭环控制

此种方案中除燃料子系统采用开环控制外，其余两个子系统都采用闭环控制。测量信号能否合理选择决定了闭环控制的精准度，因此，送风和引风系统均采用单回路调节系统的形式，两个系统的被控变量分别选定为烟气中的含氧量和炉膛负压。送风调节系统随烟气中的含氧量的变化而自动调控鼓风机的送风流量。炉膛负压受送风流量影响而改变后，引风调节器通过控制引风变频器调控引风机的引风流量，进而自动控制炉膛负压。这种方案控制简单、耗能低，缺点是所选被控变量含氧量和炉膛负压波动较大，影响了调节质量。

3.3　引风、送风、燃料系统均为闭环控制

此种方案中锅炉控制系统中的三个子系统均采用闭环控制。燃料量的测量信号由蒸汽流量D和汽包压力变化速率组成的热量信号Q来代替，即Q=D+CK×dPB×dt。而燃料调节器在静态时，CK×dPB×dt=0，此时Q=D=K1D，因此a=K1D=D，使静态时，燃料量和负荷量相匹配。送风调节器在静态时，KV=a，而a=K1D=D=Q，因此，KV=D=Q，即送风量V与代表燃煤量的热量信号Q成正比例，从而使锅炉中的煤粉能在静态下经济燃烧。在燃料和送风的调节过程中，为了避免炉膛负压产生较大的偏差，在送风调节器和引风调节器之间安装动态联系装置，使送风调节器与引风调节器协调动作。静态时，由引风调节器独立地保持炉膛负压。这种方案耗能极低，调节质量很高，缺点是系统较为复杂，且无氧量校正。

3.4　燃料、送风、引风调节与氧量校正

该方案在方案3的基础上，引入了氧量校正，使系统更加完善，但系统的复杂性也最高。

4　结语

目前，多数工厂在调节锅炉的风量时还在使用传统的风门方式，耗能非常严重。即便引进了变频调速技术，但由于开环控制的弊端，其调节质量仍有待提高。只有将带有闭环控制的变频调速技术应用于锅炉控制中，才能提高风机的可调速性，进而达到减小能耗、提高节能效果、提高系统调节质量的目的，从而使锅炉能够经济可靠地运行。

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作者简介：吴涛（1965-），男，信阳市特种设备安全检测中心工程师，研究方向：锅炉检验及水质化验。

（责任编辑：周　琼）

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