Выбор частотного преобразователя для дымососа и оптимизация энергопотребления

Дымососы и дутьевые вентиляторы предназначены для контролируемой тяги, вывода продуктов горения. Согласованная работа вентиляционных устройств обеспечивает стабильное отношение “ воздух-топливо” в камере сгорания котла, не зависящее от силы и направления ветра, температуры, погоды.

Состоят вентиляторы из улиткообразного корпуса, осевого направляющего аппарата и электропривода. Дутьевые нагнетательные устройства устанавливают перед камерой сгорания. Их назначение – обеспечивать подачу воздуха в топку. Дымососы располагают на выходе топки или в конце вентиляционного канала. Эти устройства предназначены для создания давления разряжения в дымоходе и отвода газов, образующихся при сгорании топлива.

Главная задача тягодутьевых устройств – обеспечение оптимальной разницы давлений внутри и снаружи топки. От этого зависит полнота сгорания топлива, его теплоотдача, количество вредных веществ в дыме и к.п.д. котельного агрегата в целом.

Способы управления производительностью вентиляторов тягодутьевой системы

Для управления производительностью котельных агрегатов используют следующие способы:

• Изменение тяги регулированием шиберными заслонками дымососа.
• Установка вентиляторов с переменным углом наклона лопастей.
• Регулировка частоты вращения электродвигателя дымососа гидромуфтой.

Такие методы обеспечивают полное сгорание топлива во всем диапазоне производительности. Несмотря на это, традиционные схемы управления тягой имеют серьезные недостатки.

Недостатки традиционных способов управления

В качестве электропривода вентиляторов применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Эти электрические машины имеют постоянную частоту вращения ротора. Для регулировки объема воздуха, поступающего в топку, и управления тягой традиционно используются шиберные заслонки с сервоприводом и вентиляторы с регулируемым наклоном лопастей.

При этом объем воздуха, необходимый для поддержания нормального горения, определяется при помощи дифманометра, измеряющего разность давлений до и перед камерой сгорания. По этому параметру также определяется объем подачи топлива. Регулировка осуществляется путем изменения сечения трубопровода при помощи заслонок с электроприводом или угла наклона лопаток вентиляторов дымососов и наддува. Для обеспечения полного сгорания жидкого или газового топлива производительность дутьевого вентилятора должна превышать расход дымососа.

Такой способ управления имеет следующие недоставки:

• Возникновение автоколебаний контура тягодутьевой системы. При малейших ошибках проектирования, изменении конфигурации труб, их сечения возникает явление резонанса. Энергия, выделяющаяся при этом, может достигать нескольких десятков тысяч ватт. Вибрации разрушают трубопровод, приводят к срыву факела в токах, поломкам вентиляторов.
• Неравномерная нагрузка. При регулировке шиберами, нагрузка на двигатели колеблется от 10 до 200% от номинального рассчитанного значения. Мощность электродвигателя, размер вентилятора приходится выбирать с большим запасом. При этом тягодутьевые устройства часто работают в режиме недозагрузки, нерационально расходуя электроэнергию.
• Перегрузки при пуске. Значительный момент инерции вызывает повышенное скольжение в момент запуска электродвигателя. Это приводит к резкому увеличению тока, перегреву и повреждению обмоток, снижению срока службы электрической машины. Для защиты двигателей необходимы и дополнительные аппараты. Кроме того, запуск вентиляторов вызывает просадки напряжения и существенное увеличения нагрузки на сеть, что отрицательно сказывается на другом электрооборудовании.
• Необходимость установки датчиков положения заслонки. Применение схемы регулирования с обратной связью по разности давлений не всегда обеспечивает плавную регулировку тяги и объема воздуха, поданного в камеру сгорания. Для нормального запуска тягодутьевой системы и контроля процесса производства тепла приходится устанавливать датчики положения заслонок или дорогостоящий следящий сервопривод.

Таким образом, регулирование тяги традиционными методами – недостаточно надежный и дорогой способ управления производительностью котельных. Тягодутьевые вентиляторы часто работают вхолостую или в режиме сильной перегрузки. Мощность электродвигателей и электроаппаратов защиты приходится выбирать с большим запасом.

Проблема возникновения резонансных частот и автоколебаний контуров системы подачи воздуха и дымоудаления также остается нерешенной. Регулирование производительности дымососов и дутьевых вентиляторов путем изменения наклона лопастей или гидромуфтами также экономически нецелесообразно. Такие вентиляторы имеют высокую стоимость.

Применение частотных преобразователей для регулирования приводов тягодутьевых вентиляторов

Частотные преобразователи – устройства для плавного пуска, разгона и регулировки частоты вращения и момента на валу электродвигателя. Принцип их действия основан на влиянии частоты переменного напряжения, подаваемого на обмотки электрической машины, на скорость вращения вала. ПЧ трансформируют напряжение 50 Гц в напряжение большей или меньшей частоты. Коэффициент полезного действия частотных преобразователей составляет более 95 %. Эти электротехнические устройства потребляют около 1-2 % мощности, подаваемой на электродвигатель.

Кроме регулировки угловой скорости и момента, ПЧ позволяют реализовать практически любую схему управления с обратной связью по нескольким характеристикам, выполняют функции защиты от ненормальных режимов. Встроенные контроллеры также обеспечивают обмен данными с ПК и другими устройствами управления.

При прямом запуске асинхронных двигателей возникают пусковые токи, в несколько раз превышающие номинальную величину. Момент на валу двигателя при протекании переходных процессов достаточно мал. Значительный момент инерции тягодутьевых вентиляторов также вызывает значительные перегрузки, которые могут привести к перегоранию обмоток.

При подаче напряжения низкой частоты, индуктивное сопротивление электродвигателя снижается, что делает возможным увеличение тока, подаваемого на обмотки. Пусковой момент на валу достигает 200% от номинала, это позволяет преодолеть инерцию без сильных перегрузок по току.

Таким образом, частотно-регулируемый привод решает проблему перегрузок при пуске дутьевых вентиляторов и дымососов. Управление пуском и разгоном двигателя осуществляется согласно заданному алгоритму. Настройки ПЧ выбирают по параметрам тягодутьевой системы котла.

При раскручивании вентилятора дымососа естественной тягой и запуске двигателя также возникают значительные токовые перегрузки. Ток в обмотках электрической машины возрастает при расхождении скорости вращения вала и магнитного поля. Частотные преобразователи осуществляют динамическое торможение электродвигателей. При этом используется 2 метода:

• Торможение постоянным током.
• Сменой порядка фаз на обмотках.

Первый способ состоит в подаче постоянного напряжения на электродвигатель. Частотный преобразователь с ШИМ-модулятором позволяет создавать тормозной момент до 20% от номинального момента электродвигателя. Это достаточно для остановки вращения вентилятора, раскрученного естественной тягой. При этом двигатель начинает работать в режиме генератора. Кинетическая энергия преобразуется в электрическую, рассеивается на обмотках ротора и поступает на звено постоянного тока частотного преобразователя. Для защиты конденсаторов они шунтируются тормозным резистором. Добавочное сопротивление управляется силовым выключателем и включается в цепь только в режиме торможения. Выбор резистора делается исходя из режима работы двигателя, его характеристик, параметров ПЧ. Значение сопротивления указывается в паспорте преобразователя частоты.

При динамическом торможении противовключением изменяют порядок фаз, подключаемых к обмоткам двигателя. Вал начинает вращаться против направления возникающего магнитного поля и постепенно останавливается. Для ограничения токов в обмотки ротора включают добавочные сопротивления.

Применение таких способов управления торможением позволяет отказаться от тормозных колодок и других механических устройств.

Преимущества частотно-регулируемого привода в котельных

Система управления производительностью котельных агрегатов регулирует тягу и объем подачи топлива в топку. Интеграция частотных преобразователей позволяет:

• Полностью автоматизировать работу котельной и построить САР с обратной связью по нескольким технологическим параметрам. Например, в мощных котельных используют экономайзеры и воздухоподогреватели, которые нагреваются от удаляемых газов. При этом их температура не должна снижаться ниже точки выпадения росы. Установка датчика температуры в дымососе позволяет регулировать частоту вращения частотно-регулируемого привода вентиляторов и эффективно использовать выделяющееся тепло.
• Снизить расходы электроэнергии на 50-70%. Регулируемая производительность тягодутьевой системы, отказ от шиберных заслонок и механических тормозов уменьшают потребляемую двигателями электрическую мощность.
• Уменьшить износ вентиляторов и других узлов системы наддува и дымососа. ПЧ для систем управления тягой имеют функции пропуска резонансных частот. При правильной настройке снижаются вибрации, вызывающие разрушение лопастей и трубопровода.
• Увеличить срок службы электродвигателей. Плавный пуск, разгон, динамическое торможение снижают нагрев обмоток и способствуют увеличению эксплуатационного режима электрических машин.
• Отказаться от сложных схем защиты от ненормальных режимов работы. Преобразователи частоты автоматически отключают электродвигатель при просадке напряжения, обрыве фазы, перегреве, других авариях и аномальных режимах работы.
• Снизить содержание вредных веществ в продуктах горения. Точная регулировка тяги обеспечивает оптимальную подачу кислорода в камеру сгорания. При этом топливо сгорает полностью. В выбросах котельных с частотно-регулируемым приводом дутьевых вентиляторов и дымососов снижается содержание угарного газа и других опасных веществ.
• Обеспечить подхват электродвигателя. При кратковременных отключениях электроэнергии или снижении питающего напряжения, двигатель останавливается. При этом вентилятор продолжает вращаться по инерции. ПЧ обеспечивает плавный подхват электродвигателя при возобновлении электроснабжения.

Частотные преобразователи также поддерживают распространенные протоколы обмена данными и позволяют упростить схему телемеханического управления и диспетчеризации котельной. Векторное управление обеспечивает точную регулировку технологических параметров.

Преобразователи с функцией автоматической адаптации можно применять для модернизации действующих котельных, без замены устаревших электродвигателей.

Экономический эффект достигается многократным снижением потребления электроэнергии, возможностью оптимизировать работу котельных с рекуперацией тепла продуктов горения, сокращением трат на ремонт и обслуживания двигателей, уменьшением количества электроаппаратов и датчиков.

Техническая эффективность внедрения частотно-регулируемого привода тягодутьевых систем котельных определяется увлечением надежности схем защиты и управления, упрощением диспетчеризации и телемеханического контроля, возможностью построения полностью автоматизированных систем.

Современные частотные преобразователи «Данфосс» также позволяют реализовать частичную автоматизацию небольших котельных.

Распространенные проблемы частотно-регулируемого привода

Преобразователи частоты «Данфосс» – надежные и долговечные электротехнические устройства. Все проблемы частотно-регулируемого привода связаны:

• C ошибками при настройке. Они обычно возникают при подключении ПЧ к устаревшему или долго бывшему в эксплуатации электродвигателю. Реальные характеристики таких электрических машин могут существенно отличаться от паспортных данных. Чтобы избежать неправильных настроек, необходимо применять ПЧ с функций автоматической адаптации.
• C неправильным выбором частотного преобразователя. ПЧ выбирают по мощности, перезагрузочной способности, электрическим характеристикам, другим параметрам. При подборе частотника учитываются динамика изменения нагрузки на электродвигатель, порядок запуска дутьевых и дымососных вентиляторов, взаимное влияние всех узлов системы управления тягой.

Выбор преобразователя частоты для котельной – сложная инженерная задача, решение которой для каждого объекта индивидуально. Компания «Данфосс» предлагает несколько серий ПЧ для тягодутьевых систем, отвечающих современным требованиям к электроприводу дымососов и наддувных вентиляторов.