变频器在供暖行业中的应用

1 概述

供暖就是利用锅炉将燃料的化学能转化为热能后供给用户。在锅炉的燃烧室中，燃烧释放出来的热量通过热辐射和烟气对流与水产生了热交换，水被加热成具有一定温度和压力的蒸汽或热水。再将蒸汽或热水送到各个用户单位，达到供暖的目的。如图1所示。

整个供暖行业的核心就是供暖中心(锅炉房)，而根据锅炉的类型不同，如燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、垃圾锅炉、余热锅炉、电锅炉等，变频器的应用也不尽相同。这里就以中国北方广泛应用的燃煤型锅炉为例详细说明变频器在供暖行业中的节能应用。

近年来，国家大力提倡建设节能环保型社会，坚持走可持续发展的路线，更为重要的是变频器在供暖行业中的应用带来的巨大经济利益已经逐渐被广大同仁所认同。那么，变频器到底在供暖行业中怎么应用，才能发挥其最大的效能，并且它的节能效果如何?本文以下部分，将就变频器应用前后的差别，对比说明其优劣性，同时详细举例说明变频器的使用方法，并且也从理论上定量计算其节能效果。

2 变频在供暖行业中的应用范围

变频技术在供暖行业中的应用，可以说是无处不在，大到锅炉所用的几百kW鼓引风机、循环水泵，小到几百kW 的水系统所用的加药泵、补水泵。如图2、图3、图4 所示。

1)在供暖中心(锅炉房)，应用变频器的设备有：

(1)输煤系统传送带于、粉煤机淤、翻车机;

(2)供水管路给水泵(蒸汽炉)余、一次循环水泵(热水锅炉)盂、补水泵榆;

(3)锅炉鼓风机俞、引风机虞、炉排愚、除渣舆。

2)在换热站中应用变频器设备是二次循环水泵、补水泵逾。

3 应用事例及节能分析

3.1 鼓风机⑨、引风机⑤

3.1.1 传统控制方式

传统上，锅炉的鼓风机和引风机均为满负荷定速运转，通过调节风档来控制鼓风量和引风量，以保持炉内的微负压，提高燃烧比。然而随着风档限制了空气流量，风管压力也随之开始上升。在传统设计中，通过进气、排气风档改变管网特性以调节风量，在一定的程度上是节能了，但是增加了管网的设计余量成本，同时，整个管网的压力有可能产生波动，甚至会产生最不希望见到的系统震荡，这无形中也对管网的负压能力提出严格要求。

3.1.2 自动变频控制方式

如果采用变频调速器，则可以减少复杂性，改进系统控制状况，节约能源。变频调速器不是人为地降低风档的压力来调节风量，而是通过改变鼓风机和引风机电机的速度直接控制风机的速度和流量，以得到所需要的准确空气流量和压力，从而使空气满足整个系统的需要。采用变频调速器，可以轻而易举地纠正规格过大的风机以及简单易控的平衡系统。

现在由于从煤源及品质无法进行定量的衡量，所以目前实现整个系统的全自动化控制存在一定的难度，现在可行的控制方式为，引风机变频器先启动，鼓风机变频器再启动，由现场操作工人人为通过数字或模拟给定控制鼓、引风机的转速，相对于传统控制系统，采用变频调速免去了设备的维护及其费用。

3.1.3 预计节能效果

以90 kW 的引风机和37 kW 的鼓风机为例进行计算，传统风阀控制一年费用为

90 kW伊5个月伊30天伊8 小时伊95%伊1 元/kW·h=102 600元

37 kW伊5个月伊30天伊8小时伊95%伊1 元/ kW·h=42 180元

其中，95%为采用风挡控制风量所节约的能源百分比。

变频节能控制一年的费用为

90 kW伊5个月伊30天伊8小时伊51.2%伊1元/ kW·h=55 296元

37 kW伊5个月伊30天伊8小时伊51.2%伊1元/ kW·h=22732元

其中，51.2%为变频器低速运行时所节约的能源百分比。

一年节省的费用为(102 600+42 180)-(55 296+22 732)=66 752元

3.2 传送带②、粉煤机①、炉排⑥、除渣⑦

3.2.1 传统控制方式

传统控制方式下，传送带、粉煤机、炉排、除渣四部分独立控制，完全由经验丰富的老师傅统一调配，传送带、粉煤机和除渣机均采用软启动或星角启动方式，炉排采用滑差电机的控制方式，其结果是：

1)传送带走煤量无法精确控制，这样就造成大量的煤堆积在粉煤机上加重其负荷，严重影响粉煤机的正常工作，或者上煤量不足严重影响煤层的均匀分布;

2)粉煤量无法精确控制，粉煤量完全依赖于传送带的送煤量，一旦出现异常，就只能调整炉排的转速，而炉排又是通过滑差电机来驱动，根本无法实现均匀给煤，致使煤层厚度不均匀;

3)由于煤的质量多少存在一些差别，固定的给煤量有时无法达到规定的燃烧比，这样无形中就浪费了大量的能源，而且加大后续脱硫、降低排污量的工作。

3.2.2 自动变频控制

如我国新疆地区某供暖中心，完全可以实现根据煤的品级和外界环境温度等因素，自动计算传送带、粉煤机、炉排、除渣的运行转速，全自动地完成上煤、粉煤、炉排、除渣等操作。针对我国大部分地区的实际情况，做到在正常供暖短时间人工设定四部分的运转速度，完成半自动化的操作还是切实可行的，而且节能环保效果，都是可以预见的。由于此处不定因素过多，这里就节能潜力不作定量的计算。

3.3 补水泵④、给水泵⑧

3.3.1 传统控制方式

传统控制方式采用电接点压力表，设置压力上限和下限，当压力低于下限启动循环水泵，高于上限停止循环水泵，其缺点是：

1)补水泵频繁启动，造成系统压力波动，起停瞬间产生严重的水锤效应，增大了系统的维护量，同时电机的频繁起停也将严重缩短其使用寿命，如果设置不当，甚至有可能烧毁电机;

2)每次启动电机都是满负荷运行，耗费电能;

3)当系统压力升高到极限值时，无法完成泄压功能，只能通过安全阀泄压。

3.3.2 自动变频恒压补水

补水泵的正常工作直接影响到锅炉的安全与用户管网的安全，根据工程设计经验以及实际工程运行状况，使用丹佛斯品牌的VLT7000 系列的变频器控制补水系统，通过安装在回水管道上距循环水泵3-5 m的压力传感器，实时将压力信号反馈给变频器，通过变频器内部的PID 运算控制水泵的转速维持恒定压力，并且监测管网压力。一旦补水泵停止补水，由于热胀效应使管网的压力达到临界上限值时，变频将输出信号，控制电磁阀动作完成超压泻水动作并报警。这样，最终使得管网压力维持在一个恒定的值上，不但保证了安全供暖，而且最大限度的节约了能源。

由于补水变频的重要性，这里简单说明一下变频器的参数设置，如表1 所列。

3.4 二次循环水泵

3.4.1 传统控制方式

换热站内的循环水泵何时开始换热，什么时候停止换热完全由专人控制，并且换热站内的部分循环水泵采用星角、软启动控制方式。

1)这样只有缩时换热才能保证正常供暖，如果循环水泵超时换热，由于主管网的温度下降，故超时部分不仅起不到换热的目的，还浪费大量的电能，另外，循环水泵的启动/停止及其运转，完全没有量化，这样由于人为因素产生大量不必要的浪费是必然的。

2)由于起动循环水泵时是满负荷运转，并且电机总是以在极端的条件下满足系统要求而设计的，所以实际使用中有很大余量，这样无形之中又带来了大量的浪费。

3)水泵满负荷运转，使得管网压力升高，增加管网的维护费用，而且专人负责需要非常大的人工费用。

3.4.2 自动变频控制方式

以一个换热面积为30 万m2，配两台55 kW循环水泵(二用一备)的中型换热站为例。

1)在一次管网供水端(进入板式换热器端)加装温度开关，设定温度为35益，一旦温度达到35益，自动控制循环水泵启动，当温度低于30益时，自动控制循环水泵停止。当然在循环水泵控制柜内也得加装响应控制组件，并且柜内接线也要做相应的变动。

2)将星角、软启动器更换为具有自动能量优化功能的变频器，即使在变频器达到50 Hz运行的情况下，仍可以根据负载的变化自动调节能量输出。将星角、软启动器更换为满足电网谐波污染、电磁辐射相关标准的变频器，预防谐波污染同电网下的其它电器，预防变频器产生的电磁波干扰仪器仪表正常工作，为以后的智能升级做准备，节省二次改造，二次投资。

3.4.3 预计节能效果

改造前一年费用为

55 kW伊5个月伊30天伊8小时伊2台伊1元/kW·h+800 元伊5 个月= 136 000 元

改造后一年的用电量为

55 kW伊5 个月伊30 天伊(8-1)小时伊2 台伊72.5%伊1 元/kW·h= 83 737.5元

其中，72.5%为变频器低速运行时所节约的能源百分比。

一年将节省136 000-83 737.5=52 262.5元。

4 结语

变频器在供暖行业中应用，控制方式优良节能效果显著。

所以随着供暖行业中的工艺需要、节能需要和环保需要，使得变频技术在供暖行业的应用会越来越普遍。