變頻技術在制糖企業鍋爐引風機節能改造中的應用

蒙 政

（廣西海棠東亞糖業有限公司，廣西 崇左 532504）

0 前言

變頻裝置的應用領域在不斷擴大，鋼鐵、石油、煤炭等行業已經廣泛應用了變頻技術，在很大程度上優化了企業的生產工藝，其節約能源效果為企業帶來了良好的經濟效益，具有巨大的發展潛力。因此，制糖企業在進行節能改造時，將變頻技術應用到鍋爐引風機中，為企業完成新時代指標提供了有力的技術支持。

1 變頻控制方式的研究

高壓變頻器的控制方式具體分為v/f 控制、有/無速度傳感器矢量控制、轉矩控制以及dtc 直接轉矩控制。其中，v/f控制以電壓與頻率的變比繪制出“壓頻比系數”曲線，從曲線中找出有價值的參數，再通過變頻器計算基本運行頻率值，輸出波形的占空來實現調整輸出電壓的目的；有速度傳感器矢量控制與無速度傳感器矢量控制均屬于異步電動機矢量控制系統，二者就有不同的應用優勢，前者調速為1000 ∶1，對轉矩制精確度高，后者體積小、重量輕，不需要安裝速度傳感器就可以發揮控制效果；變頻器中轉矩控制方式的調速范圍與直流電動機的調速范圍相差不大，根據檢測到電動機定子的電流與電壓，再將計算出的轉矩與定值進行對比，通過差值來控制磁鏈與轉矩，進而實現控訴的目的；dtc 直接轉矩控制目標是控制轉矩，進而對磁鏈與轉矩進行綜合控制，van 用的分析方法有空間矢量、定子磁場定向，隨著電動機狀態、實際值與定值之間差值的變化，可以單獨決定電動機的開關狀態。在將變頻技術應用到制糖企業鍋爐引風機實際過程中，應根據不同類型的電機負載來合理選擇調速方式，以此達到良好的節能減排效果。異步電動機穩態等效電路如圖1 所示。其中，R1 為定子電阻；X11 為定子漏感抗；R2 為轉子電阻；X21 為轉子漏感抗；I0空載電流；Rm 為損耗電阻；Xm 為互感抗。為轉子產生的內磁功率。

2 制糖企業鍋爐引風機應用變頻技術的節能方案

2.1 引風機中變頻技術應用原理

圖1 異步電動機穩態等效電路圖

引風機是蔗糖企業鍋爐引風系統的重要組成部分之一，主要作用是將燃料在鍋爐中燃燒后產生的熱空氣引出，爐膛內便產生負壓，熱空氣經過加熱器、除塵器、脫硫器、脫硝器等凈化設備，最終被排放到大氣中。此外，風機系統中的送風機，負責將大氣中的新鮮空氣注入爐膛中，促進燃料燃燒；一次風機負責將鍋爐排除的部分熱煙氣抽回到爐膛中，使得注入新鮮冷空氣后的爐膛提高一定溫度，維持爐膛內溫度平衡。引風機利用變頻技術改造后，爐膛內的負壓變送器會將壓力值以信號的形式輸送給PLC，經過處理后再與壓力設定值進行比較，PID 算法將產生的運算信號定位引風機的變頻頻率，進而實現控制引風機電機轉速的目的，使得爐膛內的負壓力始終保持在設定值附近。

2.2 引風機變頻改造設計

2.2.1 引風機變頻改造

制糖企業鍋爐引風機的變頻改造，首先要考慮企業的整體運行狀況，包括接線方式、設備保留或拆除、建筑結構等，其次是考慮變頻-工頻的切換問題與后期設備保養維護問題，最后進行具體方案的設計。在利用變頻方式進行改造的背景下，廠接一次高壓電源在斷路器的作用下，改變電源頻道；進行廠接二次高壓電源改造時，更換引風機對應的開關柜。引風機的高壓變頻器柜控制不同的線路回路，其中一個引風機引自機房，一號、二號引風機分別控制主廠房中的PC 與保安MCC、直流柜與交流柜[1]。

2.2.2 引風機變頻室布置

經過 改造后的高壓變頻器包括進線柜、變壓器柜、旁路柜，一般情況下，體積較為龐大。進行布置時，還要考慮后期人工維修與場內設備的風道，預留出一定寬度的通道。最佳方案為：變頻器放置在電機設備附近，確保周圍環境衛生，盡量遠離外界影響因素，附近不應放置爆炸性、腐蝕性高的物品，保證變頻器正常運作。

2.2.3 變頻器控制系統的選擇

變頻器控制系統采用的是全數字控制，主要利用光線對系統中的單元進行控制，并與顯示主板間連接，各功率單元相互獨立，且每個功率模塊發出的信號都為PWM，PWM負責變頻系統中信息的反饋與傳輸。核心控制板與后臺監控設備使用光纖進行連接，各控制模塊的邏輯狀態、實時狀態、歷史狀態均在監控后臺中查詢到，用于鍋爐引風機的故障診斷。變頻控制系統會根據鍋爐引風機的工藝配置進行合理改造，主要將引風機系統歸入進組DCS 中，部分板卡采用分散控制方式實現數量增加的目的，此分散控制系統與原機相同。工作人員在集控室中就可以對鍋爐引風機進行遠程控制，也可以按照流程標準切換操作畫面。單臺引風機變頻控制器需要上傳的信號類型與名稱見表1。

表1 單臺引風機變頻控制器需要上傳的信號類型與名稱

2.3 引風機變頻改造特點

2.3.1 提升鍋爐系統可靠性

鍋爐系統中變頻器在發生故障后，會同時切斷輸入與輸入線路，確保電機可以進入其他工頻，保持系統能夠始終以不間斷的狀態進行工作。為實現這一功能，變頻器主回路1 km、2 km 及工頻側的3QF 和10 kV 的開關進行連鎖，一旦發現系統出現故障，就會立即發送警報給旁路柜，旁路柜會在接收到信號后跳開QF、1 km、2 km，同時通過繼電器延時2 s～5s 后關閉3QF，進而閉合相應設備，使得電機投入相應工頻進行工作，以此提升系統的可靠性，保證工作人員安全[2]。

2.3.2 調節鍋爐系統中的風機

利用變頻技術改進鍋爐引風機領域的關鍵點就是能夠優化整個鍋爐系統。鍋爐系統經過變頻技術改造后，將煙氣傳感器配置到爐膛中，負責測量爐膛中的煙氣含量，進而判斷燃料燃燒的狀況。煙氣傳感器會將感應到的煙氣轉換為4 mA～20 mA 的電信號，電信號通過光纖傳送到DCS 主機中，主機利用一系列算法對4 mA～20 mA 的電信號進行計算，并輸送給鼓風機，以達到調節鼓風機轉速的目的。當爐膛內氧含量增加時，也就是新鮮空氣被注入了爐膛中，鼓風機會降低轉速，氧含量降低時，鼓風機就會提高轉速，加快新鮮空氣的注入，確保燃料燃燒效果。

2.3.3 在饋電方面的突破

鍋爐引風機是制糖企業耗電量較大的設備之一，引風機的工作性質是當啟動后會在瞬間提速，關閉后又會因為慣性而繼續運作一定時間再停車。在這種情況下，電動機相當于發電機，能夠利用設備慣性產生一定量的電能，如果將這種思維與變頻技術相結合，利用變頻的逆電源把由于慣性產生的電能反饋給電網，一方面能減少制糖企業的成本，提升制糖企業的經濟效益，另一方面，在一定程度上降低了電能的消耗量，達到了節能減排的目標，提高了變頻技術在鍋爐引風機中的應用效果。

2.4 變頻改造前后節能效果分析

2.4.1 邏輯控制分析

當引風機運用變頻技術進行改造后，對鍋爐系統中的其他設備也有一定的好處。例如，能夠對鍋爐中主給水爐水泵進行調節，確保了制取蔗糖過程中蒸汽的質量。水爐中的水位升高后，其中的水位感應器就會將感應信號傳送給變頻器，降低水泵的轉速，反之亦然，始終保持水位在安全的水位線附近。此外，在二級泵中應用變頻技術后，可對煮糖工段抽真空時使用，煮糖用水量的多少影響著變頻調節的頻率，一般增加到45 Hz 時，就能滿足工藝需求。以此類推，制糖工藝中其他級水泵也可以利用變頻技術進行水壓、水位的調節，減少煮糖工段的不利因素[3]。

2.4.2 經濟性分析

以廣西市某蔗糖制糖企業為例，該企業對利用變頻技術改造前后的熱效率與風機耗電情況進行了測試，將采集到的數據進行整合與分析。平均熱效率提高了6.1%，降低了31.8%的過量空氣系數，產生的爐渣量也降低了45.5%；電機的平均效率提升到75%以上，鼓風機的節電率為60.8%，引風機的節電率為48.2%。由以上數據可知，利用變頻技術改造后的鍋爐，爐膛內負壓、鼓風量、引風量等參數都進行了科學設定，提高鍋爐的運行效率與工作精度，不僅滿足制糖的生產標準，也可以滿足國家節能環保要求，促進企業的可持續發展。

3 結論

綜上所述，我國制糖企業經過幾十年的發展，在節能降耗方面已經有了成功的實踐，但是鍋爐節能降耗體系與發達國家相比仍有一定差距。因此，我國制糖企業要借鑒先進的經驗與技術，利用變頻技術創新鍋爐引風機節能改造方案，并進行可行性的技術構想，發揮出變頻技術在提高鍋爐自動化程度、節約企業成本等方面的作用，以此實現我國經濟可持續發展的目標。