摘要：通过对燃气锅炉工况的学习和分析，对锅炉房补风风机及事故风机的控制方式进行改进和优化，并对平时兼事故两用风机供电电源要求提出见解。
关键词：锅炉房；补风风机；事故风机；运行控制方式；供电电源
燃气锅炉在民用建筑中被广泛采用，尤其在大型商业和酒店项目中，作为供暖、空调、生活热水、洗衣房蒸汽等热负荷的主要热源，燃气蒸汽锅炉有着较高的使用频率。如何使锅蒸汽炉发挥更高效率，电气工程师怎样配合才能让锅炉更加节能，就要从了解锅炉房工况原理开始。
1 燃气蒸汽锅炉设备联合工况分析
燃气蒸汽锅炉是用天然气、液化气、城市煤气等气体燃料作燃料，在炉内燃烧放出来的热量，加热炉内的水，并使其汽化成蒸汽的热能转换设备。水在炉（锅筒）中不断被炉里气体燃料燃烧释放出来的能量加热温度升高并产生带压蒸汽。由于水的沸点随压力的升高而升高，炉是密封的，水蒸气在里面膨胀受限而产生压力从而形成热动力。
锅炉燃烧系统由燃气燃油燃烧器、锅炉本体、节能器、烟囱等部分组成。根据锅炉额定热功率的大小，燃烧器火力调节方式通常分为两类，第一类为分档调节方式，此模式下燃烧器火力分为大火和小火，通常应用在热功率较小的锅炉上。第二类为比例调节方式，此模式的燃烧器火力可以分为十档甚至更多档，例如按10%，20%……90%，100%逐级加大，反之锅炉卸载时逐级减小，通常应用在热功率较大的锅炉上。
燃气锅炉在运行过程中，必须连续不断地将空气送人炉膛，并将燃烧产物排出炉膛和烟道。这种燃烧空气风量补充过程不仅是维持燃烧的基本条件，同时也对传热有重要影响，更是锅炉正常工作必不可少的环节之一。锅炉燃烧器不同火力所需的燃烧空气风量亦不同。风量补充过多或过少均会影响锅炉系统的安全、经济运行。因此做好燃气锅炉房的燃烧空气风量补充系统设计，对锅炉的运行起着关键性作用。暖通工程师通常会设置机械补风风机，来满足锅炉燃烧所需的空气量。补风风机设计工况往往考虑的是100%负荷状态下的情况，机械补风风机按100%负荷下的燃烧空气量设计选型，而锅炉运行工况绝大多数情况下是处在75%左右的负荷状态，即该部分负荷状态的运行时间占比最大。当部分负荷运行时，需要机械补风风机提供的燃烧空气风量也需对应减少。若此时仍继续补入100%负荷状态的燃烧空气量，将会造成风量的浪费，等效为电量的浪费。同时，风量过大造成锅炉间正压加大，燃烧器运行工况偏离100%负荷设计和调试下的工况，出现燃烧空气量与燃气量的混合比例变化，炉膛内压力增大，燃烧不经济不安全。
锅炉房的总送风量分为平时兼事故补风风量，以及锅炉燃烧补风量。其中，平时兼事故排风和补风风量根据规范要求，基本为定值。而锅炉燃烧补风量及烟气量均与锅炉的实时供热量相关。当锅炉房平时兼事故通风系统与锅炉房内实时最大负荷对应的锅炉燃烧补风量之和的大小，不能满足消除机房余热要求时，就需要加大平时兼事故通风系统的风量。
因此，如能提供一种能使机械补风风机风量随负荷变化的控制装置，将节约风机和燃耗器运行电量，提高经济运行效率，改善锅炉运行环境，提高锅炉房运行安全性。电气专业以此为切入点，对燃烧空气风量补充系统进行优化控制设计。
2 锅炉房补风风机控制原理分析
鉴于锅炉燃烧工况变化的样性，当选用单功能风机做为锅炉房燃烧补风用时，电气设计提出采用变频器作为中央控制单元驱动平时补风风机。
变频器有多样的输入输出端子信号，利用这些信号端子可以方便的实现风机的启停、调速，再引入压差变送器，根据压力检测回路反馈与标准设定值构成一个PID控制系统，形成压差变送器、变频器、控制器、风机组成的压力闭环自动控制回路，一方面保持炉内稳定的压力，另一方面是补风机控制具有相对的合理性。如图1所示：
图1 压差传感器闭环控制环路图
此方式关注重点在于追踪锅炉房内空气压力状态的变化。通过在锅炉房内代表性位置设置室内压差传感器，来作为风量平衡感应措施，将压差信号同时传输给变频器和BA系统设于锅炉房的专用DDC控制器。一方面变频器根据接收的压力信号，与变频器内预设的压力值比较判断后，输出风机控制信号控制风机转速。另一方面压差传感器信号和变频器工作状态信号通过锅炉房专用DDC控制器传输至BA系统，作为锅炉房能耗分析计量及工况优化的参数依据。如图2所示：
图2 锅炉房风机控制原理图
当选用单台补风风机，频率调节范围是25Hz~50Hz之间，则风量变化在50%~110%。当部分负荷低于50%时，此时补风机风量是富裕的，但已达到变频器的调节下限。此时，可以通过设置多台补风风机的方式来降低风量变化的下限。通常为2台，此时控制方式为：2台风机额定转速（48Hz~50Hz）同时运行；当压力信号变化时，变频器输出频率在（25Hz~47Hz）范围时同时进行2台风机的调速；当变频器低于25Hz时，停止1台风机，另一台风机提高到额定转速（50Hz）运行，再由变频器控制逐步降低至25Hz，此时，风量变化范围为25%~100%，当风机以50Hz运行时，则风量变化范围为25%~110%。最低负荷为25%基本符合一般项目的最小负荷。
此时风机控制箱主回路控制原理如图3所示：
图3 变频器接受压力信号及风机变频控制主回路原理图
压差传感器接至变频器VI1端子，锅炉房额定压力值由电位器滑动端接至VI2端，电位器固定端分别接V+和GND。变频器根据VI1和VI2输入端的电压进行差值比较，确定频率输出。风机的运行及切换功能由OC1和OC2输出端子实现，这两个端子皆输出开关信号，当M1风机工作频率达到上限（48Hz~50Hz）时，OC1开关闭合，此时M1风机是可以进行稳定频率工作，M2风机可以启动变频工作。当锅炉房补风风量下降，变频器频率降低到设定值，需要补风风机退出运行时，OC2开关闭合，系统进行退出操作。此控制方式可在电动机在接近工频（50Hz）时切换到工频进行恒定运行，且变频器故障时可以用手动方式切换到旁路，使电动机直接启动并正常运行。
3 锅炉房平时燃烧兼事故补风风机控制回路分析
设计有时会选择把锅炉房事故补风风机兼用做锅炉燃烧补风，这时风机的控制方式就又有所区别：作为锅炉房安全工作保障，无论锅炉是否工作或者锅炉工作于任意工况，锅炉房内的事故补风风机和排风风机都是需要及时开启的。当锅炉工作时，由于燃烧补风风量的叠加，会使两用风机的风量加大，风机选用时要特别注意。
锅炉房的平时兼事故通风风机控制方式根据平时和事故时的换气量不同，有两种方式可以选择：双速控制或变频控制的方式，即《锅炉房设计规范》 GB 50041-2008第15.3.7条第1款和第2款要求，可以选用双速风机，低速满足事故通风量，高速满足事故通风与燃烧补风的叠加风量，风机风量与转速成正比。由于双速风机高速与低速比值通常在1.3~1.5之间，比值为2的选型比较少见，所以选用双速风机时通常按满足事故通风量选型，而此时低速运行的平时风量比规范规定的最小风量值大了33%~54%，低速运行时的电机就不够节能。
因此笔者认为再次使用变频器驱动平时兼事故两用风机是可行的。此方式同样采用在锅炉房内设置室内压差传感器，来作为风量平衡感应措施，并将压差信号传输给变频器和BA系统。此种方式不仅使风机运行节能，还可以保证锅炉房内安全通风，减少减轻事故危害。变频风机的主回路控制可以根据最大工况工作时长选择带旁路和不带旁路两种方式。此种方式的不利点在于会使较大功率风机长时间工作在低频低速状态，风机效率较低，节能效果不太理想，因此笔者不推荐这种方式。
4 锅炉房平时燃烧兼事故补风风机对供电电源要求
平时兼事故两用风机的工作性质决定了它对供电电源可靠性要求较高。《全国民用建筑工程设计技术措施2009版—暖通空调?动力》以及上海市工程建设规范DGJ08-74-2004《燃气直燃型吸收式冷热水机组工程技术规程》中对事故通风章节有如下相似规定：事故风机应采用防爆型，并应有消防电源供电。
事故风机不仅运用于事故时通风（排风），也可用于消防后的灾后通风。但由于事故风机不参与消防工作，GB50016-2014《建筑设计防火规范》10.1.6条“消防用电设备应采用专用的供电回路，当建筑内的生产、生活用电被切断时，应仍能保证消防用电”。故笔者认为不适合纳入消防配电系统，只需要将其供电负荷等级定义为一级，并在适合位置进行双电源切换是比较合理的设计方式。既满足事故时工作电源保障，又不会对消防设备配电系统造成影响。
5 小结
电气设计不仅是满足规范要求，要想满足相关专业要求做到设计合理，就要对它们对工作性能、流程有比较透彻地了解，学习和掌握其他专业的知识，各专业间取长补短，设计人员才能做对设计，做好设计，使系统发挥更好的功效。文中有不当之处，敬请斧正。
参考文献
[1]公安部天津消防研究所，公安部四川消防研究所. GB 50016-2014 建筑设计防火规范【S】. 北京 中国计划出版社 2014
[2]上海煤气销售（集团）有限公司，上海燃气设计院. DGJ08-74-2004 燃气直燃型吸收式冷热水机组工程技术规程【S】，2004
[3]全国民用建筑工程设计技术措施（2009年版）编委会. 全国民用建筑工程设计技术措施（2009年版）暖通空调?动力【M】. 北京 中国计划出版社 2009
论文作者:陈星
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/15
标签：风机论文; 风量论文; 锅炉论文; 变频器论文; 事故论文; 风风论文; 方式论文; 《建筑学研究前沿》2018年第4期论文;