基于变频控制技术的燃油气锅炉燃烧器的开发和应用.pdf

研究与开发 基于变频控制技术的燃油气锅炉燃烧器的开发和应用 1 9 文章 编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 1 0 5 1 9 - 0 6 基于变频控制技术的燃油气锅炉 燃烧器的开发和应用 马得明 ， 王善武 1 ．凯明科技有限公司 ， 香港 ； 2 ．上海工业锅炉研究所 ， 上海 2 0 0 0 7 1 摘要 针对燃油、 气或油气两用锅炉节能减排的需要， 结合国内外燃烧器技术发展成果 和趋势 ， 提出了变频燃烧器设计理念并开发了相应的燃烧器产品， 理论和应用证明， 变频燃烧器 较传统恒速燃烧器具有调节精准、 灵活、 节能、 环保的特点， 推广应用可使燃油、 气锅炉的E t 常运 行热效率提高 1～ 2个百分点。 关键词 变频； 燃烧器； 燃油气锅炉 中图分 类号 T K 2 2 3 ． 2 3 文献标识码 A De v e l o p me n t a n d Ap p l i c a t i o n o f Va r i a b l e S p e e d Dr i v e Co n t r o l Te c h n o l o g y f o r Oi l a n d Ga s Fi r e d Bo i l e r Co mb u s t i o n S y s t e m MA De mi n g ．W ANG S h a n wu 1 ． He r m e n T e c h n o l o g y L t d ． ，H o n g k o n g ，C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i I n d u s t r i a l B o i l e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 1 ， C h i n a 第一作者 马得 明， 1 9 7 9年 毕业 于 加 拿 大渥 太 华 大 学 机 械 工程 系。多年来 从 事节能、 环保燃油、 燃 气 燃烧 器 的研 发 并参与燃烧设备 的 应用。现为香港 凯 明科 技 有 限公 司 总 经 理 。 Ab s t r a c t F o c u s i n g 6 n t h e e n e r g y s a v i n g a n d c a r b o n e mi s s i o n a s p e c t s o f g a s ，o i l o r d u a l f u e l f i r e d b o i l e r s a n d a c c o r d - i n g t o t h e n a t i o n a l a n d i n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o gy d e v e l o p me n t r e s u l t s a n d t r e n d s o f b u r n e r s ，i t i s h e r e b y p r o p o s e d t h e p r o mo t i o n o f b u r n e r s w i t h v a r i a b l e s p e e d d r i v e V S D c o n t r o 1 ．A s c o m p a r e d t o t h e t r a d i t i o n a l c o n s t a n t s p e e d c o n t r o l b u r n e r s ， t h e VS D c o n t r o l b u r n e r s h a v e t h e a d v a n t a g e o f p r e c i s i o n c o n t r o l ，fl e x i b l e，e n e r gy s a v i n g a n d e n v i r o n me n t a l l y f r i e n d l y ．T h e a p p l i c a t i o n o f VS D c o n t r o l b u r n e r s w i l l i mp r o v e c o mb u s t i o n e ffi c i e n c y b y 1 ％ ～2 ％ ． Ke y wo r d s v a r i a b l e s p e e d d r i v e ；b u r n e r ；o i l a n d g a s fir e d b o i l e r 0 引言 从上世纪 9 0年代以来 ， 随着环保要求 的提高和 能源供应 的逐渐多样化 ， 我 国油 、 气锅炉得到了相应 的发展 ， 据中国电器工业协会工业锅炉分会 2 0 0 7年 ～ 2 0 1 0年的统计 资料来 看 ， 每年生 产 的工业锅 炉 中， 燃油气锅炉从 台数 上看平均 占约 2 5 ％ ， 从容量 上看平均 占约 1 5 ％ ， 且逐年上升约 2个百分点。 目 前 ， 平均年产量在 1 ． 2万台左右 ， 且 以 1 0 t ／ h及以下 容量锅炉为主。 截止 2 0 1 0年底 ， 全国在用锅炉总台数为 6 0 ． 7 3 万 台， 其 中油、 气炉约 l 0万 台； 但从容量来讲 ， 油气 锅炉约占 1 0 ％。 与燃煤工业锅炉一样 ， 在用油、 气锅炉也一直存 收稿 日期 2 0 1 1 -09 2 2 在所谓 的“ 大马拉小车” 的现象 ， 就是说绝大多数锅 炉通常处于低负荷运行状 态， 同时锅炉实际运行 中 负荷常随用汽、 用热 负荷变化在较大范 围 内波动。 尽管燃油 、 气锅炉多为全 自动负荷调节 ， 但传统恒速 鼓风式燃烧器未能随着锅炉负荷的变化而精确地调 节助燃空气量 ， 有需要设定较高的过量空气系数确 保完全燃烧 ， 导致浪费能源。 图 1 显示出了恒速鼓风机的运行 曲线及燃烧助 燃空气 曲线。由图 1可知 ， 大火燃烧 时与燃烧助燃 空气曲线上的P． 点对应的鼓风机输出曲线上 P 。 的 风压较 P 低 ； 小火燃烧时与燃烧 助燃空气 曲线上 的 P 点对应 的鼓风机输出曲线上 P 的风压较 P 高。可见鼓风机输出与燃烧器需要 大火大风量及 高风压 ， 小火小风量及低 风压 是矛盾 的。于是燃 烧器只能利用调节风门强行降低送风量及风压。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 基于变频控制技术的燃油气锅炉燃烧器的开发和应用 2 1 燃烧器使用多台伺服执行器独立控制风 门、 燃 料调节阀、 变频器。由燃烧控制器控制各执行器的 开／ 关量及变频输出 ， 同时检测各执行器的运行位置 及鼓风电机的转速 检测 回路 ， 监测运行工况 。 2 开环式控制 见图 4 控制{ ； fj 同 、罔 一 霉 一 L 三 三三三 。J v s o ；＼、 一一～⋯⋯⋯一一／ 图 4 开环式 变频 控制 燃烧器使用一 台伺服执行器控制风 门， 风 门的 开关量控制鼓风电机变频器 小风门一低转速； 大 风门一 高转速 。燃 烧器选 配气 压式空／ 燃 比调节 阀 见 图 5 ， 按燃烧器 的鼓风压 自动调节燃料流量。 各控制元件可以独立运作。 伺服电机 ④ 风 ， 稳压 S K P 7 0 ．执行器 活寒 密封圈 液压絮 油库 娃 针阀 旁通 溢流 燃气j检i 燃烧室 调校空燃比例 调人火 调校过量空气系数 调小火 燃气阀体 图5 气压式空／ 燃比调节阀 2 变频燃烧器与传统恒速燃烧器的性 能对 比 表 1 图 6显示恒速燃烧器的运行 曲线 ， 鼓风机工作 曲线 P 点至 P ⋯点 在小火燃烧时 ， 压差 AP 很大， 燃烧器在低负荷运行时， 出现“ 大马拉小车” 现象。 图 7显示变频燃烧器 的运行 曲线 ， 在小火燃烧 时 ， 压差 AP 很 小 ， 助燃空气量 能精准地控制 。 鼓风机工作曲线 P 点至 P ． 点 基本上追随燃烧器 的输 出运行。可简易地理解为 ， 一 台 1 0 t ／ h锅炉在 6 t ／ h负荷时 ， 鼓风机 的输 出是 6 t ／ h ， 不会 出现 “ 大 马拉小车” 现象 。 二 二 ] 输 出 功 率 口5 O， 图6 恒速燃烧器运行曲线 图7 变频燃烧器运行曲线 1 燃烧器输 出功率为 1 0 0 ％ 即大火状态 时 的对 比见表 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 工业锅炉 2 0 1 1 年第5 期 总第 1 2 9 期 2 燃烧器输出功率为 4 0 ％时 即小火状态 的对 比见表 2 。 表 2 3 燃烧器输出功率为 2 5 ％时 即极小火状态时 的对 比见表 3 。 表 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究 与开发 基于变频控制技术的燃油气锅炉燃烧器的开发和应用 2 3 鼓风机风压 风 门开度 高 约 1 5 ％ 开始火焰功率 大 成功率高 开始火焰功率 小 容易失败 点火可靠性 较弱 低 约 2 0 ％ 成功率高 成功率高 较强 恒速 小火位置 变频 极小火位置 较大的开始火焰 点火 功率， 容易产生爆燃 开始火 焰功率理应越小越好 恒速 鼓风量较大， 容易吹灭火种 变频 鼓风量较小， 风压比较稳定， 点火成功率高 变频 风量小、 风压低， 火种功率可以很小， 点火成功率 及火种质量较高 3 变频燃烧器 的优 势 1 节省燃料 ， 降低燃料费 变频燃烧器在小火燃烧时的风压能有效地控制 在大火的 2 5％ ～3 0％范 围， 方便把小火 的燃烧 功 率调低 ， 拉宽火力 调节 比 例如 从 3 1拉宽 到 5 1 。燃烧器能长时间不断运行 ， 减小停／ 启次数 ， 节 约燃料 ， 从而降低碳排放量。 变频燃烧器 的风量／ 风压输 出在全功率范 围内 更能适应锅 炉运 行环境 ， 燃烧更稳 定 ， 提 高锅炉效 率。 2 节省用 电， 降低电费 按国 际标 准 ， 燃 烧 器 的设 计／ 测 试 需 预 留约 1 0 ％的输出余量 。当燃烧器应用在锅炉上 ， 工作 曲 线在燃烧器的工作范 围内。通常情况下 ， 大火燃烧 时只用上燃烧器的 8 0 ％ ～9 0 ％可输 出功率 ， 个别情 况下可能只用上 6 0 ％ ～ 8 0 ％可输出功率 。 若燃烧器火力调节 比为 2 1 ， 大火燃烧 的助燃 空气量是小火 的 2倍 ， 即 Q ／ Q 。 I 1, 2 ／ n 1 ／ 2 ， 由表 6中计算公式可知 ， 此时电机轴功率 当 N． 1 0 0 ％时 ， N 2 1 2 ． 5 ％ 表 6 风机轴功率计算公式 锅炉大部分时间在中、 低负荷运行， 选用恒速鼓 风机是非常浪费电力 的。大火燃烧时， 尽量 降低鼓 风电机输入频率 降低风机转速 ， 尽 量开大风门， 一 般可节省耗 电量 1 0 ％ ～2 0 ％ ； 小火燃烧时， 按燃 烧负荷量降低鼓风电机输入频率 ， 同时把风门关小 ， 一 般可节省耗 电量 7 0 ％ ～ 8 0 ％。 3 环保降噪 燃烧器运行噪音主要来 自鼓风机。噪音随着鼓 风机转速降低而减小。图 8显示典型 6 t ／ h恒速与 变频燃烧器的运行噪音 曲线。由图 8可知， 变频燃 烧器在小火运行时 比恒速燃烧器低 l 0个分贝以上 ， 就是在大火燃烧时也要低 2个分贝以上。 d8 、 9 0 8 5 8 0 Ⅲ 7 5 ⋯ { J 7 0 65 0 2 0 4 0 6 O 8 O 1 0 0 1 2 0 1 4 0 燃烧功率／ ％ 网 8燃烧器运行噪音 曲线 4 变频燃烧器和恒速燃烧器的应用效益比 较 我们以 1 0 t ／ h 7 ． 0 MW 锅炉用燃天然气燃烧 器为例 ， 对 比变频燃烧技术和恒速燃烧技术的应用 效益 ， 详见表 7 。燃烧器输出功率约为 7 ． 8 5 MW， 耗 气量约为 7 ． 8 53 6 0 0 ／ 3 5 ． 3 8 0 0 I n ／ h ； 鼓风 电机 功率约为 2 2 k W， 满负荷运行时轴功率约为 2 0 k W。 表 7 变频燃烧器和恒速燃烧器 的应 用效 益比较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工业锅炉 2 0 1 1 年第 5期 总第 1 2 9期 续表 7 注 1 2 0 1 0年， 国家生产 1 度电时的c 0 排放数据 ； 5 结论 2 某燃烧器在没有配套消声器时的运行噪音。 一 般的燃油、 气锅炉大部分时间在中、 低负荷运 行 ， 传统恒速鼓风机经常 出现如“ 大马拉小车” 的现 象。变频燃烧器的应用可以解决这方面的问题 ， 简 单地说 一台 1 0 t ／ h的锅炉需选配 1 1 t ／ h出力的 燃烧器 预留余量 ， 若选用变频燃烧器， 这台锅炉 在满负荷时 ， 鼓风机的输出是“ 1 0 t ／ h ”； 当锅炉的输 出是 6 t ／ h ， 该鼓风机的输 出是“ 6 t ／ h ” 。 变频燃烧器的其他优点 1 按锅炉负荷 的变化 ， 能精准地控制助燃空 气量 ， 因此可以调低燃烧过量 剩 空气 系数 ， 提高 燃烧效率 ， 节省燃料。 2 精准的助燃空气流量控制为调低小火的燃 烧功率提供更有利条件， 拉宽大／ ／ b 火比例， 使锅炉 能更长时间稳定运行 ， 减少“ 停／ 启” 次数 ， 提高燃烧 效率 ， 节省燃料 。 3 燃烧器在点火时的风量／ 风压会较低 ， 可 以 更稳定及可靠地燃点开始火焰。 4 对于高风 背 压的锅炉燃烧器 例如 高原 地区的锅炉及带空气预热器或省煤器的锅炉 特别 适用 ， 因为i亥类锅炉在大火与小火燃烧时的风 背 压差会较大 ， 更能凸显变频燃烧器的性能。 变频燃烧器经常被误解 为只是“ 省电” 而忽 略 其“ 节省燃料” 带来“ 经济效益” ， 相信 随着变频燃烧 器应用的增多， 变频燃烧器的节能效益将更加显著 ， 变频燃烧器的开发推广也将进一步提高我国燃油气 工业锅炉及其供热系统 的能效 ， 为我国燃油气工业 锅炉的节能减排提供新的技术途径 。盈 参考文献 、 l[ 1 ] 赵钦新 ， 王善武 ．工业锅炉技术与发展思路探讨 [ J ] ． 工 业 锅炉 ， 2 0 0 9 1 1～1 2 ． [ 2 ] 王善武， 吕岩岩， 吴晓云， 等 ．T业锅炉行业节能减排与 战略性发展[ J ] ．工业锅炉， 2 0 1 1 1 1～ 9 ． [ 3 ] 窦文宇， 郭元亮， 廖 晓伟 ， 等 ．我国燃油／ 气燃烧器产业 现状与对策[ J ] ．工业锅炉， 2 0 0 9 2 1 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m