變頻器在工業(yè)鍋爐給水系統(tǒng)上的應用
變頻器在工業(yè)鍋爐給水系統(tǒng)上的應用
1 引言
工業(yè)蒸汽鍋爐的過程控制系統(tǒng)包括汽包水位控制系統(tǒng)和燃燒過程控制系統(tǒng)，兩系統(tǒng)在鍋爐運行過程中互相耦合，所以控制起來非常困難。在此，我們暫不考慮系統(tǒng)間的耦合，只是對蒸汽鍋爐的給水系統(tǒng)進行變頻改造。
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1個給水母管分別給各自汽包供水，用汽量小的季節(jié)，2臺鍋爐只運行1臺，當用汽量較大時，則必須2臺鍋爐同時運行。由于給水泵額定功率為37kw，一般情況下，1臺鍋爐運行時，只開1臺給水泵裕量仍較大，而2臺鍋爐同時運行且用汽量較大時，只開1臺給水泵無法滿足需要，而開2臺給水泵后，相對單臺鍋爐運行時，裕量更大。由于2臺鍋爐分別由2套DCS系統(tǒng)控制各自的電動閥門調節(jié)各自汽包的給水量，運行中，閥門開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、水泵葉輪和閥門造成損害2 變頻改造方案
基于系統(tǒng)運行現(xiàn)狀，本著既能節(jié)能降耗，又能控制簡便、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(tǒng)，同時增加了變頻器、可編程序控制器(PLC)和控制信號轉換裝置。
(1) 硬件控制系統(tǒng)
a) 西門子MM430變頻器
MM430變頻器是西門子公司最新研制生產(chǎn)的一種適用于各種變速驅動應用場合的高性能變頻器(調試簡單、配置靈活)，它具有最新的IGBT技術和高質量控制系統(tǒng)，完善的保護功能和較強的過載能力以及較寬的工作環(huán)境溫度，安裝接線方便，兩路可編程的隔離數(shù)字輸入、輸出接口以及模擬輸入、輸出接口等優(yōu)點，使其配置靈活多樣，控制簡單方便，易于操作維護。圖2 控制原理圖
b) 西門子S7-200型PLC
西門子S7-200型PLC可靠性高、抗干擾能力強，可直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定可靠的工作。適應性強，應用靈活。
(2) 當1臺鍋爐運行時
由于只開1臺給水泵，就足夠鍋爐汽包所需用水量，故此時，系統(tǒng)只對運行鍋爐的汽包水位進行恒液位控制即可。
將切換開關置于相應位置，通過鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)中的手動操作器將控制該鍋爐汽包進水量的電動閥完全打開后，再通過控制信號轉換裝置切斷該控制信號，使原有控制回路斷開，電動閥保持全開狀態(tài)，同時，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。
在本控制過程中，關鍵的問題是過程參數(shù)PID (P:比例系數(shù)I:積分系數(shù)、D:微分系數(shù))的整定。由于工業(yè)鍋爐運行過程中，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(tǒng)的相對穩(wěn)定運行，不出現(xiàn)大的波動，對生產(chǎn)造成影響，在調試過程中，應多次反復調整PID參數(shù)，直至出現(xiàn)最佳控制過程。
(3) 當兩臺鍋爐同進運行時
由于2臺鍋爐分別由兩套DCS系統(tǒng)控制，在運行過程，雖然蒸汽并網(wǎng)后壓力相同，但由于燃燒過程中存在不確定性，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。通過給水原理圖(圖1)我們不難發(fā)現(xiàn)，要對2臺鍋爐汽包的液位分別控制，最理想的方案是將1個給水母管向2臺鍋爐給水的現(xiàn)狀徹底改變，將給水系統(tǒng)分開，使每個鍋爐都有自己獨立的給水系統(tǒng)，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(tǒng)現(xiàn)狀的前提下，更好的利用變頻裝置，節(jié)能降耗，減小系統(tǒng)運行，維護費用，提高原有系統(tǒng)的自動化程度，我們針對該企業(yè)2臺鍋爐的運行特點，設計了一套專用于2臺(或2臺以上)鍋爐同時運行時的控制方案，即:蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。
當2臺鍋爐同時運行時，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，通過處理、比較后，得到二者的差值，再將此差值通過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PLC在一定范圍內任意調節(jié))，但鍋爐各自汽包的液位卻無法再通過調節(jié)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，即汽包各自的進水電動閥門。仍由鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)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，去相應的調整進水電動閥的開度，從而控制各汽泡液位和進水流量。
此方案由于存在閥門的調節(jié)，所以理論上不能最大限度的節(jié)能降耗，但實際應用中，由于減小了給水母管與蒸汽壓力之間的壓力差，使電動閥門的開度由原來的平均10%左右開大到75%左右，系統(tǒng)回水閥門關閉，仍大大節(jié)約了能源。且本方案充分考慮了系統(tǒng)運行的安全性，一旦變頻器故障，系統(tǒng)可立即自動由變頻運行狀態(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(tǒng)的核心控制器件，它不僅辨識、處理各種運行狀態(tài)，進行系統(tǒng)間的邏輯運算和聯(lián)鎖保護，還對輸入的多個模擬信號進行處理、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，會對通訊產(chǎn)生干擾，同時由于PLC采集模擬信號，要進行A/D和D/A轉換處理，在此過程中，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(tǒng)所需液位、壓力等模擬信號均采至鍋爐原有控制系統(tǒng)，為了不影響原控制系統(tǒng)的安全性與完整性，應將原有模擬信號通過隔離分路端子分路后采用。
(3) 鍋爐給水是鍋爐運行過程中至關重要的環(huán)節(jié)之一，其運行的穩(wěn)定性與可靠性直接關系到整個鍋爐系統(tǒng)乃至整個企業(yè)生產(chǎn)運行的穩(wěn)定與安全。因此，一旦變頻器出現(xiàn)故障而停車后，系統(tǒng)可自動切換至原有工頻控制系統(tǒng)而不影響生產(chǎn)，這一聯(lián)鎖措施至關重要。
5 結束語
(1) 變頻調速是電氣傳動系統(tǒng)工程，而變頻器只是其中的一部分，變頻器容量、類型的選擇，電氣保護回路和控制回路的設計關系到變頻調速系統(tǒng)應用的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。
(2) 變頻調速系統(tǒng)是基于微電子、電力電子、計算機、自動控制和電機等技術上發(fā)展而來的，有其先進性，但也有其不足和缺點，如電磁干擾，高次諧波的寄生電容，以及低速運行時的電機溫升等。
(3) 變頻調速技術以其節(jié)能、環(huán)保、方便、工作效率高等優(yōu)點，在現(xiàn)代企業(yè)中得到廣泛應用。若將其再與計算機技術有機的結合起來，實現(xiàn)資源共享，統(tǒng)一管理，則會進一步節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)穩(wěn)定性。
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