熱水鍋爐自動補水系統(tǒng)

蘭國志

摘 要：近年來，鍋爐數(shù)量大大增加，尤其是在我國的北方地區(qū)，熱水鍋爐更是受到了普遍歡迎。文章論述了熱水鍋爐定壓補水的幾種方式，各定壓補水方式的優(yōu)缺點及適用性，并介紹了在定壓補水自動控制系統(tǒng)中常用的幾種電氣實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：補水定壓；閉環(huán)控制；PID；PLC；DCS

1 定壓方式

1.1 膨脹水箱定壓

如圖1所示。此種定壓方式是在熱水鍋爐系統(tǒng)的最高點安裝開口式膨脹水箱，當(dāng)鍋爐系統(tǒng)壓力升高時，系統(tǒng)內(nèi)水會自動進入膨脹水箱以減小系統(tǒng)壓力；當(dāng)鍋爐系統(tǒng)壓力降低時，膨脹水箱內(nèi)的水會自動進入供暖系統(tǒng)以增大系統(tǒng)壓力。在水箱內(nèi)設(shè)置電接點式水位傳感器控制補水泵啟停。

圖1 膨脹水箱定壓方式

1、膨脹水箱；2、電接點液位計；3、補水箱；4、循環(huán)水泵；5、補水泵

采用膨脹水箱的定壓補水方式具有初次投資省、運行費用低等優(yōu)點；但是開式水箱與大氣聯(lián)通，會引起管道系統(tǒng)的氧化腐蝕，另外水箱需安裝在鍋爐的頂層，維護與管理不方便，因此這種補水定壓方式僅適用于小型熱水鍋爐[1]。

1.2 補水泵定壓

如圖2所示，此種定壓方式是由電接點壓力表進行控制的，當(dāng)鍋爐水溫降低、系統(tǒng)壓力減小時，電接點壓力表發(fā)出壓力低信號，從而控制補水泵啟動補水；當(dāng)系統(tǒng)壓力正常后，補水泵停止補水；當(dāng)鍋爐水溫升高、系統(tǒng)壓力增大時，電接點壓力表發(fā)出壓力高信號，控制電磁閥排水；當(dāng)系統(tǒng)壓力正常后，電磁閥停止泄水。

圖2補水泵定壓方式

1、電接點壓力表；2、排水電動閥；3、水箱；4、補水泵；5、循環(huán)水泵

補水泵定壓補水的方式改變了使用膨脹水箱補水時易腐蝕、維護不方便等缺點，且運行穩(wěn)定。但此種定壓補水方式只適用于小型熱水鍋爐。

1.3 變頻控制補水泵定壓

此種定壓方式與圖2相似，“元件1”不能使用電接點壓力表，應(yīng)使用壓力信號連續(xù)變化的壓力變送器，補水泵的啟停及轉(zhuǎn)速由變頻器控制。這一補水定壓方式是采用變頻調(diào)速技術(shù)對補水泵進行閉環(huán)控制。

首先，電源經(jīng)過變頻器變頻后進入電機，變頻器輸出的頻率由小到大平穩(wěn)增加，即對電機實行軟啟動，系統(tǒng)壓力信號通過變送器送入微機進行處理，通過對壓力信號及變頻反饋信號的調(diào)整，以控制變頻器輸出整定頻率。根據(jù)熱水鍋爐系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)壓力取樣點壓力為P，壓力變化范圍為△p，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于p-1/2△p時，使上位機控制變頻器提高頻率；當(dāng)系統(tǒng)壓力高于p+1/2△p時，使上位機控制變頻器降低頻率，以降低水泵電機轉(zhuǎn)速，減少補水量和壓力。頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：n=60f（1-Sn）/P，式中n為水泵電機轉(zhuǎn)速（異步電機）；F為電源頻率；Sn為電機額定轉(zhuǎn)數(shù)，即電機定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速之差，一般為5%左右；P為電機的極對數(shù)。由上式可看出，當(dāng)P、Sn一定時，水泵轉(zhuǎn)速與輸入電源的頻率成正比。

此種變頻控制補水泵的定壓方式一次性投資大，但其具有啟動、停止平穩(wěn)、延長水泵使用壽命、能耗低、自動化程度高等優(yōu)點。

2 電氣控制方案

2.1 補水泵啟停自動控制

控制原理如下圖所示：

圖3 補水泵啟動控制電路圖

使用電接點壓力表設(shè)定補水下限壓力及上限壓力，正常運行時將轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至自動，當(dāng)系統(tǒng)壓力低時，壓力表發(fā)出壓力低信號，中間繼電器K2吸合，接觸器KM1吸合，補水泵補水加壓；加壓至正常壓力后，壓力表發(fā)出壓力高信號，中間繼電器K1吸合并且中間繼電器K2斷開，中間繼電器K1常閉觸點斷開，接觸器KM1斷開，補水泵停止運轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)設(shè)有運行及停止指示燈，并有手自動切換開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試或壓力信號故障時，可使用手動補水。

2.2 定壓排水自動控制

定壓排水控制電路與上圖相同，只是主電路不同，將接觸器KM1常開主觸點與排水電磁閥線圈連接構(gòu)成主電路即可。

控制過程與定壓補水相似，當(dāng)系統(tǒng)溫度持續(xù)升高導(dǎo)致壓力過高時，中間繼電器K2吸合，接觸器KM1吸合，電磁閥打開，系統(tǒng)排水降壓；當(dāng)壓力降低至排水壓力上限時，中間繼電器K1吸合，接觸器KM1斷開，電磁閥關(guān)閉，系統(tǒng)停止排水。

2.3 PID控制補水泵頻率

PID調(diào)節(jié)的變頻調(diào)速恒壓供暖補水系統(tǒng)，是通過調(diào)節(jié)補水泵變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)補水泵的輸出流量，使系統(tǒng)壓力保持不變，以實現(xiàn)恒壓補水[2]。

首先將壓力信號通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換為4～20ma電流信號，送入PID控制器，再與給定信號進行比較，經(jīng)過P（比例）、I（積分）、D（微分）運算，同樣輸出4～20ma電流信號，送到變頻器的頻率給定端子，控制變頻器輸出給定頻率，即改變了補水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)了補水量，使管網(wǎng)壓力保持恒定。同時，PID控制器還輸出一個高壓力開關(guān)信號和低壓開關(guān)信號，送入PLC、DCS或上位機等，可作為另一臺工頻泵自動啟動或停機的條件之一。上位機除了接受PID輸出的高低壓開關(guān)信號，還要接受變頻器輸出的高、低頻率檢測信號；變頻器停止信號；及方式轉(zhuǎn)換開關(guān)輸入信號和啟動、停止信號，按照設(shè)定的程序，可控制兩臺或多臺泵配合工作。

PID參數(shù)調(diào)節(jié)是最為關(guān)鍵的一步，要在管網(wǎng)有壓力的情況下調(diào)整PID參數(shù)。因為D（微分）控制對輸入信號的變化速度極其敏感，致使其抗干擾能力較差，調(diào)節(jié)不好反而容易造成振蕩，而補水只要求壓力穩(wěn)定，對快速性要求不高，所以把D值設(shè)為0，只采用PI調(diào)節(jié)即可。由于管網(wǎng)容量大，管路長，跑冒滴漏現(xiàn)象時有發(fā)生，會造成壓力不斷變化，而且每改變一次參數(shù)，都要等一段時間才能看到結(jié)果，所以要有耐心，并且要經(jīng)過反復(fù)試驗，最終確定P值和I值。

PID控制的熱水鍋爐自動補水系統(tǒng)主要特點是：自動化程度較高、節(jié)能、靈活可靠，軟起、軟?？梢詼p少對管網(wǎng)的沖擊，使補水泵及管網(wǎng)其他設(shè)備壽命大為提高。

3 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，小型供熱站及大中型集中供熱系統(tǒng)日益增多，鍋爐的定壓補水系統(tǒng)尤為重要，要根據(jù)供熱站的規(guī)模和實際情況選擇一種最適用的自動補水系統(tǒng)，以達到運行安全、平穩(wěn)、節(jié)能的目的。

參考文獻

[1]張弈宜.甘肅科技[J].熱水供暖系統(tǒng)補水定壓方式淺議，第20卷 第7期 2004年7月.

[2]張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實踐[J].北京：機械工業(yè)出版社，2011，128-129.