變頻器在工業(yè)鍋爐給水系統上的應用

1  引言

      工業(yè)蒸汽鍋爐的過(guò)程控制系統包括汽包水位控制系統和燃燒過(guò)程控制系統，兩系統在鍋爐運行過(guò)程中互相耦合，所以控制起來(lái)非常困難。在此，我們暫不考慮系統間的耦合，只是對蒸汽鍋爐的給水系統進(jìn)行變頻改造。

      某企業(yè)有2臺20T燃煤蒸汽鍋爐，如圖1所示。這2臺鍋爐通過(guò)1個(gè)給水母管分別給各自汽包供水，用汽量小的季節，2臺鍋爐只運行1臺，當用汽量較大時(shí)，則必須2臺鍋爐同時(shí)運行。由于給水泵額定功率為37kw，一般情況下，1臺鍋爐運行時(shí)，只開(kāi)1臺給水泵裕量仍較大，而2臺鍋爐同時(shí)運行且用汽量較大時(shí)，只開(kāi)1臺給水泵無(wú)法滿(mǎn)足需要，而開(kāi)2臺給水泵后，相對單臺鍋爐運行時(shí)，裕量更大。由于2臺鍋爐分別由2套DCS系統控制各自的電動(dòng)閥門(mén)調節各自汽包的給水量，運行中，閥門(mén)開(kāi)度較小造成給水母管壓力較大，不僅浪費了大量的電能，較高的水壓還對管道、水泵葉輪和閥門(mén)造成損害2  變頻改造方案

      基于系統運行現狀，本著(zhù)既能節能降耗，又能控制簡(jiǎn)便、安全且投資較少的原則，我們設計了1套1臺變頻器拖動(dòng)3臺電機的方案。

      在本方案中，充分利用了鍋爐層有的DCS控制系統，同時(shí)增加了變頻器、可編程序控制器(PLC)和控制信號轉換裝置。

(1) 硬件控制系統

a) 西門(mén)子MM430變頻器

      MM430變頻器是西門(mén)子公司最新研制生產(chǎn)的一種適用于各種變速驅動(dòng)應用場(chǎng)合的高性能變頻器(調試簡(jiǎn)單、配置靈活)，它具有最新的IGBT技術(shù)和高質(zhì)量控制系統，完善的保護功能和較強的過(guò)載能力以及較寬的工作環(huán)境溫度，安裝接線(xiàn)方便，兩路可編程的隔離數字輸入、輸出接口以及模擬輸入、輸出接口等優(yōu)點(diǎn)，使其配置靈活多樣，控制簡(jiǎn)單方便，易于操作維護。圖2 控制原理圖

b) 西門(mén)子S7-200型PLC

      西門(mén)子S7-200型PLC可靠性高、抗干擾能力強，可直接安裝于工業(yè)現場(chǎng)而穩定可靠的工作。適應性強，應用靈活。

(2) 當1臺鍋爐運行時(shí)

      由于只開(kāi)1臺給水泵，就足夠鍋爐汽包所需用水量，故此時(shí)，系統只對運行鍋爐的汽包水位進(jìn)行恒液位控制即可。

      將切換開(kāi)關(guān)置于相應位置，通過(guò)鍋爐原有DCS控制系統中的手動(dòng)操作器將控制該鍋爐汽包進(jìn)水量的電動(dòng)閥完全打開(kāi)后，再通過(guò)控制信號轉換裝置切斷該控制信號，使原有控制回路斷開(kāi)，電動(dòng)閥保持全開(kāi)狀態(tài)，同時(shí)，將該鍋爐汽包液位信號切入PLC，讓PLC將該鍋爐汽包液位信號進(jìn)行PID運算處理后，再由控制信號轉換裝置，將PLC輸出的4~20mA模擬信號傳遞給變頻器，從而控制變頻器的輸出轉速。

      在本控制過(guò)程中，關(guān)鍵的問(wèn)題是過(guò)程參數PID (P:比例系數I:積分系數、D:微分系數)的整定。由于工業(yè)鍋爐運行過(guò)程中，用汽量的多小和蒸汽壓力的大小，決定了給水流量的大小和給水壓力的大小。為了保證系統的相對穩定運行，不出現大的波動(dòng)，對生產(chǎn)造成影響，在調試過(guò)程中，應多次反復調整PID參數，直至出現最佳控制過(guò)程。

(3) 當兩臺鍋爐同進(jìn)運行時(shí)

      由于2臺鍋爐分別由兩套DCS系統控制，在運行過(guò)程，雖然蒸汽并網(wǎng)后壓力相同，但由于燃燒過(guò)程中存在不確定性，兩臺鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此，單臺鍋爐運行中所用的恒液位控制方案在此就不再適合。通過(guò)給水原理圖(圖1)我們不難發(fā)現，要對2臺鍋爐汽包的液位分別控制，最理想的方案是將1個(gè)給水母管向2臺鍋爐給水的現狀徹底改變，將給水系統分開(kāi)，使每個(gè)鍋爐都有自己獨立的給水系統，再在此基礎上加裝變頻控制，由1臺變頻器單獨控制1臺鍋爐的給水。但此方案不僅改動(dòng)較大，投資較高，且要停產(chǎn)改造，顯然是行不通的。為了能在不改變原有系統現狀的前提下，更好的利用變頻裝置，節能降耗，減小系統運行，維護費用，提高原有系統的自動(dòng)化程度，我們針對該企業(yè)2臺鍋爐的運行特點(diǎn)，設計了一套專(zhuān)用于2臺(或2臺以上)鍋爐同時(shí)運行時(shí)的控制方案，即:蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。

      當2臺鍋爐同時(shí)運行時(shí)，由于外供蒸汽并管，故蒸汽壓力相同，又由于2鍋爐由同一母管給水，故給水壓力也相同。但由于蒸汽用量的變化不定和鍋爐燃燒情況的不同，蒸汽壓力是時(shí)刻變化的。這樣，為了能保證給鍋爐汽包供上水，就必須要求給水的壓力始終高于蒸汽壓力，由圖2我們看到，由PLC采集蒸汽壓力和母管給水壓力，通過(guò)處理、比較后，得到二者的差值，再將此差值通過(guò)PID運算處理，輸出4~20mA的模擬信號給控制信號轉換裝置。再由該裝置將信號傳輸給變頻器，從而控制變頻器的運行速度。這樣雖然可以保證給水母管壓力始終高于鍋爐蒸汽壓力(壓力差的大小可以通過(guò)PLC在一定范圍內任意調節)，但鍋爐各自汽包的液位卻無(wú)法再通過(guò)調節變頻器的轉速去控制。在此，我們充分利用了原有給水控制裝置，即汽包各自的進(jìn)水電動(dòng)閥門(mén)。仍由鍋爐原有DCS控制系統采集各自汽包的液位，蒸汽壓力，給水壓力和給水流量等信號，去相應的調整進(jìn)水電動(dòng)閥的開(kāi)度，從而控制各汽泡液位和進(jìn)水流量。

      此方案由于存在閥門(mén)的調節，所以理論上不能最大限度的節能降耗，但實(shí)際應用中，由于減小了給水母管與蒸汽壓力之間的壓力差，使電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度由原來(lái)的平均10%左右開(kāi)大到75%左右，系統回水閥門(mén)關(guān)閉，仍大大節約了能源。且本方案充分考慮了系統運行的安全性，一旦變頻器故障，系統可立即自動(dòng)由變頻運行狀態(tài)切換至原有工頻運行狀態(tài)，完全恢復改造前的運行狀態(tài)，保證鍋爐正常運行。變頻故障解除后，仍可方便的手動(dòng)切換為變頻狀態(tài)，使變頻器方便的投入運行，且不影響鍋爐的運行。

3  PLC

      PLC是本系統的核心控制器件，它不僅辨識、處理各種運行狀態(tài)，進(jìn)行系統間的邏輯運算和聯(lián)鎖保護，還對輸入的多個(gè)模擬信號進(jìn)行處理、運算后，輸出標準的模擬信號控制變頻器的運行速度。主程序結構較復雜，其中，對液位信號進(jìn)行PID運算的子程序

4  注意事項

(1) 由于變頻器產(chǎn)生高次諧波，會(huì )對通訊產(chǎn)生干擾，同時(shí)由于PLC采集模擬信號，要進(jìn)行A/D和D/A轉換處理，在此過(guò)程中，容易受到變頻器高次諧波的影響而失真。因此，必須將變頻器零地分接且加裝液波裝置，對PLC用隔離變壓器供電，最好將PLC安裝于距離變頻器較遠的位置上。

(2) 本系統所需液位、壓力等模擬信號均采至鍋爐原有控制系統，為了不影響原控制系統的安全性與完整性，應將原有模擬信號通過(guò)隔離分路端子分路后采用。

(3) 鍋爐給水是鍋爐運行過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節之一，其運行的穩定性與可靠性直接關(guān)系到整個(gè)鍋爐系統乃至整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)運行的穩定與安全。因此，一旦變頻器出現故障而停車(chē)后，系統可自動(dòng)切換至原有工頻控制系統而不影響生產(chǎn)，這一聯(lián)鎖措施至關(guān)重要。

5  結束語(yǔ)

(1) 變頻調速是電氣傳動(dòng)系統工程，而變頻器只是其中的一部分，變頻器容量、類(lèi)型的選擇，電氣保護回路和控制回路的設計關(guān)系到變頻調速系統應用的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。

(2) 變頻調速系統是基于微電子、電力電子、計算機、自動(dòng)控制和電機等技術(shù)上發(fā)展而來(lái)的，有其先進(jìn)性，但也有其不足和缺點(diǎn)，如電磁干擾，高次諧波的寄生電容，以及低速運行時(shí)的電機溫升等。

(3) 變頻調速技術(shù)以其節能、環(huán)保、方便、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在現代企業(yè)中得到廣泛應用。若將其再與計算機技術(shù)有機的結合起來(lái)，實(shí)現資源共享，統一管理，則會(huì )進(jìn)一步節能降耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩定性。