I. Einleitung Die wichtigsten Regelungstechnologien für Kessel basieren auf der Kohle- und Energieeffizienz. Traditionelle Methoden nutzen Dämpfer und Ventile zur Steuerung der Fördermengen von Gebläsen, Speisewasserpumpen und Umwälzpumpen. Diese Konstruktionen berücksichtigen keine Energieeinsparung. Darüber hinaus erfordern unterschiedliche Produktionsprozesse und Aufgaben einen variierenden Dampfbedarf, was Anpassungen der Kohlezufuhr (Einspritzung) notwendig macht, um eine hocheffiziente Verbrennung zu erreichen. Traditionelle Regelungsmethoden basieren auf manueller Bedienung, sind energieintensiv, erfordern eine hohe Regelungsgenauigkeit und hochqualifizierte Techniker, bevor schwarzer Rauch aus dem Schornstein austritt. Oft reicht ein Kessel nicht aus, sodass ein Parallelbetrieb erforderlich ist. Wenn der Dampfdruckbedarf geringer ist als der von zwei Kesseln, ist häufig Dampfablass erforderlich, um den Dampfdruck zu reduzieren, was Energie verschwendet und die Umwelt belastet. II. Modifizierung des Kesselwasserversorgungssystems In traditionellen Kesselwasserstandregelungssystemen läuft die Speisewasserpumpe kontinuierlich mit konstanter Drehzahl, und die Durchflussregelung erfolgt durch die Einstellung von Regelventilen und Rücklaufleitungen in der Wasserleitung. Beide Methoden weisen erhebliche Nachteile auf. Bei Verwendung von Regelventilen führt eine Verringerung der Ventilöffnung zu einem erhöhten Druck am Pumpenausgang und damit zu einer größeren Druckdifferenz am Ventil. Ein signifikanter Druckanstieg verschwendet nicht nur Energie der Pumpe, sondern erhöht auch Vibrationen und Verschleiß und verkürzt somit deren Lebensdauer. Bei der Regelung über einen Rücklaufzweig verbraucht die große Menge an zurückfließendem Wasser ebenfalls Energie. Das Funktionsprinzip einer Wasserpumpe zeigt, dass die Fördermenge direkt proportional zur Drehzahl N, die Förderhöhe H direkt proportional zum Quadrat der Drehzahl N, die Wellenleistung P direkt proportional zur dritten Potenz der Drehzahl N und die Motordrehzahl direkt proportional zur Netzfrequenz F ist. Daher ändert eine Änderung der Netzfrequenz die Drehzahl des Motors, also der Wasserpumpe, und reguliert somit die Fördermenge. Systemaufbau und -prinzip: Dieses System besteht im Wesentlichen aus einem Mikrocontroller und einem Frequenzumrichter. Der Wasserstand im Dampftrommel ist die Regelgröße, während die Wasserzufuhr und die Verdampfungsrate als Hilfsimpulse dienen. Diese drei Variablen werden von einem elektrischen Differenzdrucktransmitter erfasst. Der Einzelmotor berechnet und gibt anschließend ein 4-20-mA-Stromsignal aus, um den Frequenzumrichter zur Regelung der Wasserpumpendrehzahl anzusteuern. Bei der Systemauslegung muss zunächst die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters festgelegt werden, da dieser Parameter die Regelungswirkung des Gesamtsystems direkt beeinflusst. Die Bestimmung erfolgt anhand von Parametern wie Pumpenfördermenge, Förderhöhe sowie maximalem und minimalem Wasserverbrauch. Der Betriebszustand des Frequenzumrichters wird über seine Ein- und Ausgänge, die mit externen Schaltungen verbunden sind, eingestellt. Es gibt zwei Betriebsmodi: manuell und automatisch. Im manuellen Modus wird die Ausgangsfrequenz über ein Potentiometer eingestellt. Dieser Modus kommt zum Einsatz, wenn ein Einzelmotor aus irgendeinem Grund stillsteht. Im automatischen Modus wird das System über das Ausgangssignal eines Mikrocontrollers gesteuert. In der Praxis bietet dieses System gegenüber herkömmlichen Regelventilen folgende wesentliche Vorteile: eine gleichzeitige Energieeinsparung von nahezu 20 %, die Vermeidung von starkem Pumpenverschleiß, ein deutlich reduzierter Wartungsaufwand, eine verlängerte Lebensdauer der Anlage und ein höherer Automatisierungsgrad des Systems. III. Modifizierung des Gebläseregelungssystems (Saugzug) des Kessels: Die Luftmenge des Gebläses (Saugzug) des Kessels schwankt häufig. Da sich die Dampfmenge ständig ändert, muss die Luftmenge häufig angepasst werden. Bei einer Regelung über Ventile ist die Entfernung zwischen Kesselsteuerung und Ventilen beträchtlich, was die Bedienung umständlich macht und eine korrekte Einstellung unmöglich macht. Eine zu hohe Luftmenge führt zu einem zu hohen Sauerstoffgehalt in der Luft und damit zu Wärmeverlusten; eine zu niedrige Luftmenge führt zu einem zu hohen Restkohlenstoffgehalt in der Kohleschlacke und damit zu Kohleverlusten. Um die Regelung zu verbessern und sicherzustellen, dass der Sauerstoffgehalt in der Luft und der Restkohlenstoffgehalt in der Kohleschlacke den Normen entsprechen, ist daher eine effektive Luftmengenregelung erforderlich. Die Regelungsmethode muss komfortabel, präzise und zuverlässig sein. Um die Regelung der Kesselluftmenge zu verbessern und Energieeinsparungen zu erzielen, ist die Frequenzumrichterregelung die bevorzugte Lösung für die Luftmengenregelung. Da die Frequenzumrichtertechnologie (FU) die Drehzahl von Gebläsen und Saugzugventilatoren in Echtzeit an den Dampfverbrauch anpasst, reduziert sie die Lärmbelastung (die Motoren laufen unterhalb ihrer Nenndrehzahl und senken so den Geräuschpegel) und trägt zu einer verbesserten Arbeitshygiene bei. Darüber hinaus minimiert der langfristige Betrieb von Gebläsen und Saugzugventilatoren unterhalb der Nenndrehzahl Lagerschäden an Motoren und Ventilatoren und verlängert deren Lebensdauer. Die geringere Wärmeentwicklung der Motoren reduziert zudem den Wartungsaufwand. Weniger Ausfallzeiten sparen erhebliche Wartungskosten. Der Energiespareffekt von FUs wird zusätzlich dadurch verstärkt, dass der Nennluftstrom und die Nennfördermenge gängiger Ventilatoren und Pumpen oft den tatsächlichen Bedarf übersteigen. Obwohl Prozessanforderungen Anpassungen von Luftstrom und Fördermenge während des Betriebs erfordern, beruht die derzeit übliche Methode zur Anpassung von Luftstrom und Fördermenge mittels Leitblechen oder Ventilen, so einfach sie auch sein mag, auf einer künstlichen Erhöhung des Widerstands. Dies führt zu erheblicher Energieverschwendung; die Rückgewinnung dieser Energie würde signifikante Energieeinsparungen ermöglichen. Gemäß den Prinzipien der Strömungsmechanik lässt sich der Zusammenhang zwischen Luftstrom, Drehzahl und Motorleistung eines Ventilators durch folgende Formel ausdrücken: Q – Luftstrom (Volumenstrom), H – Luftdruck (Förderhöhe), P – Wellenleistung, n – Drehzahl. Sinkt der Luftstrom und die Drehzahl des Ventilators, verringert sich die Motorleistung rapide. Beispielsweise sinkt die Wellenleistung auf 51 % der Nennleistung, wenn der Luftstrom auf 80 % und die Drehzahl (n) ebenfalls auf 80 % fällt. Sinkt der Luftstrom auf 50 %, sinkt die Wellenleistung auf 13 % der Nennleistung, was ein erhebliches Energiesparpotenzial aufzeigt. Die schattierte Fläche zwischen den beiden Kurven in der Abbildung unten veranschaulicht den Energiespareffekt der Frequenzumrichter-Drehzahlregelung. Dieses Prinzip gilt im Prinzip auch für Wasserpumpen. Daher ist die Drehzahlregelung anstelle von Dämpfern oder Ventilen bei Ventilatoren und Wasserpumpen mit einem großen Luftstromregelbereich eine effektive Methode zur Energieeinsparung. Die meisten Ventilatoren und Pumpen werden von Wechselstrom-Asynchronmotoren angetrieben (Hochleistungsmotoren sind meist Synchronmotoren). Die Drehzahl eines Asynchron- oder Synchronmotors ist direkt proportional zur Frequenz f der Stromversorgung. Durch Ändern der Stator-Stromversorgungsfrequenz ändert sich die Motordrehzahl. Frequenzumrichter wandeln den 50-Hz-Wechselstrom aus dem Stromnetz in Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz und Spannung um, um den Wechselstrommotor anzusteuern und die Drehzahl zu regeln. Die Merkmale der Frequenzumrichter sind hohe Effizienz, keine zusätzlichen Schlupfverluste durch die Drehzahlregelung, ein großer Drehzahlbereich, hohe Präzision und stufenlose Drehzahlregelung. Sie ermöglichen eine einfache koordinierte Regelung und Regelung geschlossener Regelkreise. Da der vorhandene Kurzschlussläufermotor weiterverwendet werden kann, eignet sie sich besonders für die technische Umrüstung älterer Anlagen. Sie erhält die Vorteile des ursprünglichen Motors – einfache Struktur, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und einfache Wartung – und erzielt gleichzeitig erhebliche Energieeinsparungen. Dadurch ist sie eine ideale Methode zur Energieeinsparung bei Ventilatoren und Pumpen. Mit dem Frequenzumrichter von Lingke können Drosselventile zur Durchflussregelung und zur Steuerung der Kohlezufuhr ersetzt werden. Die Auswirkungen der Kohlezufuhroptimierung sind folgende: 1. Einsparung von ca. 30–80 % Strom mit einer Amortisationszeit von ca. 6–9 Monaten. 2. Verbesserung der Verbrennungseffizienz und damit Reduzierung des Kohleverbrauchs um ca. 10 %. 3. Reduzierung der Rauchgaskonzentration und Vermeidung von Umweltverschmutzung durch Ruß. 4. Wegfall des Bedarfs an erfahrenen Bedienern; datengestützte Steuerung ist möglich. 5. Unterstützung von Regelung im offenen und geschlossenen Regelkreis sowie Konfiguration für die zentrale Computersteuerung über eine RS-485-Schnittstelle. 6. Vereinfachte Steuerung beim Parallelbetrieb mehrerer Kessel. 7. Sanftanlaufmotor verhindert Anlaufspitzen.