基于PLC的電廠(chǎng)恒壓變頻供水改造設備

一、前言

      在發(fā)電廠(chǎng)中給水泵電機容量一般較大，實(shí)際運行時(shí)間長(cháng)，且起動(dòng)后一直以工頻狀態(tài)運行，電機均處于滿(mǎn)負荷狀態(tài)，因此屬于耗電量較大的電氣設備，它的能耗指標直接影響著(zhù)發(fā)電廠(chǎng)的經(jīng)濟效益，而給水自動(dòng)化控制是整個(gè)自動(dòng)化系統的重要組成部分。眾所周知，對于風(fēng)機、水泵類(lèi)平方轉矩負載，可以通過(guò)改變電機轉速來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)對給水流量變化的控制要求，而當其轉速下降時(shí)，所消耗的功率也大大下降。因此，節能潛力非常大，既能達到節能降耗的顯著(zhù)效果，又能滿(mǎn)足鍋爐給水恒壓控制的工藝要求，還能降低對系統的沖擊，減少機械的磨損。

      眾所周知，對于風(fēng)機、水泵類(lèi)平方轉矩負載，可以通過(guò)改變電機轉速來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)對給水流量變化的控制要求，而當其轉速下降時(shí)，所消耗的功率也大大下降。因此，節能潛力非常大，既能達到節能降耗的顯著(zhù)效果，又能滿(mǎn)足鍋爐給水恒壓控制的工藝要求，還能降低對系統的沖擊，減少機械的磨損。

      因此，可以認為給水泵引入交流調速能夠實(shí)現較大幅度地降低能耗指標，通過(guò)準確、合理的測量、監控，以負反饋形式實(shí)現控制。它既保留了常規設計的設備操作簡(jiǎn)單、耐用，而又增加了新系統的準確性、先進(jìn)性，系統可操作性強，節能且安全的效果，完全符合了設備改造要求，是較為理想基礎控制模塊。

二、電廠(chǎng)恒壓變頻供水改造設備節能改造控制系統方案

      恒壓變頻供水改造設備鍋爐給水電氣控制系統主要是控制給水流量（如圖1所示），使其與鍋爐蒸汽量保持動(dòng)態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內，保證鍋爐安全、可靠、經(jīng)濟如運行。

      本恒壓變頻供水改造設備所涉及一次主設備主要是五臺給水泵和三臺變頻器（如圖2所示），在日常工作中一般采用“二用一備”的運行模式，所謂“二用”是指二臺給水泵以變頻方式在鍋爐日常運行過(guò)程中提供穩定的給水量。而“一備”是第三臺給水泵也以變頻“明備”在線(xiàn)方式，當系統上水需求量超過(guò)“二用”給水泵所能提供的最大流量時(shí)即兩臺變頻器輸出頻率均升至50Hz時(shí)，“一備”以自動(dòng)或手動(dòng)的方式并入系統提供足夠大的給水流量，滿(mǎn)足鍋爐的安全、可靠運行，而當系統上水量需求量下降時(shí)，又可以按需退出運行，恢復“一備”狀態(tài)。而剩余的二臺給水泵則以工頻“暗備”方式待用，可以在變頻系統故障下，替代故障設備恢復設備供水，保證系統安全運行。

      該電廠(chǎng)恒壓變頻供水改造的方案為“二用一備”的運行模式，也就是說(shuō)：二臺給水泵以變頻方式在鍋爐日常運行過(guò)程中提供穩定的給水量，第三臺給水泵也以變頻“明備”在線(xiàn)方式，當系統上水需求量超過(guò)“二用”給水泵所能提供的最大流量時(shí)即兩臺變頻器輸出頻率均升至5OHz時(shí)，“一備”以自動(dòng)或手動(dòng)的方式并入系統提供足夠大的給水流量，滿(mǎn)足鍋爐的安全、可靠運行，而當系統上水量需求量下降時(shí)，又可以按需退出運行，恢復“一備”狀態(tài)。

而剩余的二臺給水泵則以工頻“暗備”統故障下，替代故障設備恢復設備供水，方式待用，可以在變頻系保證系統安全運行。

三、電廠(chǎng)恒壓變頻供水改造鍋爐給水的典型工藝控制模式

      根據該電廠(chǎng)整個(gè)系統所涉主設備分布情況，以及在實(shí)際應用過(guò)程中運行要求，主要采用了兩個(gè)典型工藝控制模式：

（l）以各臺給水泵及其附屬設施組成壓力控制塊，即＃l～＃5給水泵M13～M53、出口閥門(mén)M12～M52及相應的控制元器件組成壓力控制的基本單元（如圖3所示）。

（2）以給水調節閥J14～J34及其附屬設施為主的控制單元組成流量控制塊（如圖4所示）。由此形成了二個(gè)不同的給水模式，即單元制給水和母管制給水方式。

四、改造效果

      本次恒壓變頻供水改造設備是由給水泵、變頻器、可編程控制器、各類(lèi)遠傳壓力\流量傳感器、電動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)執行機構等相關(guān)電氣控制部件組成的電氣控制系統，是一套具有變頻調速、全自動(dòng)閉環(huán)控制功能的機電一體化控制系統，可以保證鍋爐給水系統安全、準確、可靠、穩定地運行。

目前，該恒壓變頻供水改造設備建造完成并投入運行，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運行后相對于一般常規的設計具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

4.1節能效益高

      由于采用了高效變頻驅動(dòng)，因此具有很高的節能空間，其節能效益主要來(lái)自于兩個(gè)方面：（l）由流體力學(xué)可知，電機功率與轉速的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時(shí)，轉速可成比例下降，而此時(shí)軸輸出功率成立方關(guān)系下降，即水泵電機的耗電功率與轉速近擬成立方比的關(guān)系下降，此為節能的第一部分。（2）使用變頻調速后，由于變頻器內部濾波電容的作用，功率因數接近于1，從而大大減少了無(wú)功損耗，工作電流比電機額定電流值要低許多，降低了消耗的有功功率。

經(jīng)過(guò)實(shí)測系統改造前鍋爐給水噸水耗電能5.567度，改造后噸耗電能3.410度，單位節電率達38.75％。

如果按日均鍋爐上水1500噸計算，則：

日均節電（度）=1500*（5.567-3.410）=3235.5度；

年均節電（度）=330*3235.5=1067715度。

4.2主設備完好率提高，生產(chǎn)成本降低，使用壽命增加

      電動(dòng)機實(shí)現了真正的軟啟動(dòng)、軟停運。變頻器提供給電機的峰值電流和峰值時(shí)間大為減少，可消除對負載的沖擊、減少對電機絕緣的損傷，延長(cháng)了電動(dòng)機、水泵的使用壽命，同時(shí)變頻器設置的共振點(diǎn)跳轉頻率，避免了水泵處于共振點(diǎn)運行的可能性，使水泵工作平穩、軸承磨損減少、啟動(dòng)平滑、消除了機械的沖擊力，提高了設備的使用壽命，此為主設備完好率提高、生產(chǎn)成本降低、使用壽命增加原因之一。

      變頻器其自身完善的保護功能，相對于一般電氣保護，保護功能更多、更靈敏，特別是過(guò)載、過(guò)流及短路保護等，其動(dòng)作值準確、動(dòng)作時(shí)間短，大大加強了對電氣設備特別是對電機、電纜的保護，此為主設備完好率提高、生產(chǎn)成本降低、使用壽命增加原因之二。

      低負荷下，轉速主動(dòng)降低，減少了機械部分的磨損和振動(dòng)，延長(cháng)了設備大修周期，可節省大量的檢修人力和物力，同時(shí)變頻調節實(shí)現了閥門(mén)全開(kāi)，減少了閥門(mén)節流損失。此為主設備完好率提高、生產(chǎn)成本降低、使用壽命增加原因之三。

4.3一鍵化操作、控制界面友好、可控性好

      由于系統采用DCS給合PLC技術(shù)，有效地提高系統運算速度，以負反饋閉環(huán)形式優(yōu)化控制過(guò)程，使控制更加準確可靠，并最大程度地減少人為干擾，以觸摸屏實(shí)時(shí)監控設備運行參數及狀態(tài)，運行過(guò)程透明，直觀(guān)，可控性好。

4.4群控聯(lián)鎖

      恒壓變頻供水改造設備對所有在線(xiàn)單機均能以群控聯(lián)鎖方式工作，在全自動(dòng)、半自動(dòng)狀態(tài)下，實(shí)現給水母管低水壓自起動(dòng)、自動(dòng)并列平穩運行。并能對各種極限條件予以確認、報警，并按程序要求自主處理。

4.5后備保護完善

      恒壓變頻供水改造設備系統所有單機均能實(shí)現工/變頻聯(lián)鎖、故障報警、自動(dòng)切換、失壓自起動(dòng)、失電恒速保護、輸出頻率超高、過(guò)低保護等一系列運行過(guò)程中各極限狀態(tài)下的后備保護。

4.6系統的傳承性、一致性好

      恒壓變頻供水改造設備系統的升級改造均建立在保持常規設計所應具有的優(yōu)點(diǎn)基礎上，給合了小型化、高速化、精確化、模塊化特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。因此系統具有常規操作系統的優(yōu)點(diǎn)及相關(guān)保護功能：如系統相應的過(guò)載、失電、欠壓、過(guò)流、在線(xiàn)/非在線(xiàn)互鎖等功能。

4.7無(wú)縫對接

      恒壓變頻供水改造設備系統能夠與上位集控中心實(shí)現無(wú)縫對接，將給水電氣系統納入整個(gè)鍋滬控制范疇，并將各類(lèi)運行參數實(shí)時(shí)上傳至集控畫(huà)面，輕松實(shí)現遠程啟停，參數顯示/調整，故障報警處理，復歸等。

      本恒壓變頻供水改造設備在設計和運行過(guò)程中，充分體現了閉環(huán)控制理論的先進(jìn)性、變頻調速的節能性，并理論與實(shí)際充分給合，不但免去了許多繁瑣分步操作，降低了故障隱患，而且使系統始終處于節能狀態(tài)運行，延長(cháng)了設備的使用壽命，減少了維修工作量和維修成本，更好地適應了生產(chǎn)的需要。