變頻器在鍋爐自動化控制中的應(yīng)用

中圖分類號：TM621.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A摘要：變頻器是應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和電壓來控制交流電動機(jī)的電力傳動元件。變頻器的功能在于利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的軟啟動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改善功率因數(shù)、過流、過壓、過載保護(hù)等功能。本文就變頻器在鍋爐自動化控制中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：變頻器；鍋爐自動化 ；應(yīng)用一、變頻器控制原理

可編程控制器(PLC ——Programmable logic Controller) 是該系統(tǒng)的核心控 制器件，具有節(jié)約成本、功耗低、體積小及重量輕等特點(diǎn)。P LC控制是一種安全、高效的控制方式，具有控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易與計(jì)算機(jī)接口及維修方便等諸多高品質(zhì)性能。上位機(jī)采用了WIN CC智能化運(yùn) 行軟件，更好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對話，具有操作管理、輸出控制、參數(shù)實(shí)時修改、歷史數(shù)據(jù)保存、顯示報表生成與打印等多種功能。

該系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、西門子S7—300系列P LC控制元器件和產(chǎn)品，采用分散控制、集中管理、綜合監(jiān)控的模式，實(shí)現(xiàn)鍋爐最優(yōu)化控制及 鍋爐耗能管理自動化，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，網(wǎng)絡(luò)層次分明。

變頻器是該系統(tǒng)的另一關(guān)鍵器件，變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。其基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作 電源輸入頻率成正比的關(guān)系：

N=60 f (1- s) /p

式中n、f、s、 p—— 分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)。

通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在節(jié)能的同時，變 頻器對電機(jī)進(jìn)行節(jié)能調(diào)速的同時還具備電機(jī)保護(hù)功能，可以針對電機(jī)過流、缺相、過熱等故障進(jìn)行報警和保護(hù)，大幅延長了電機(jī)的使用壽命，減少了其維護(hù)費(fèi)用。變頻器還具備軟啟動功能，這將減少電機(jī)啟動時對電網(wǎng)的沖擊，提高了用電質(zhì)量 。

鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)采用PID控制。運(yùn)用PID控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進(jìn)行控制時，均可得到滿意的結(jié)果。PID調(diào)節(jié)器既能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，又可加快過渡過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，是一種比較完善的調(diào)節(jié)規(guī)律。

二、鍋爐系統(tǒng)存在的問題

鍋爐系統(tǒng)的組成可用圖1所示的鍋爐系統(tǒng)框圖來表示，圖1中所示的鍋爐系統(tǒng)框圖，鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電機(jī)功率都是75 kW，均采用傳統(tǒng)的自耦變壓器啟動：鼓、引風(fēng)的風(fēng)量通過操作器調(diào)節(jié)風(fēng)門大小來實(shí)現(xiàn)。爐排驅(qū)動電機(jī)功率為3kW，采用滑差離合器調(diào)速；給水水泵電機(jī)功率為37 kW，由于啟動負(fù)荷低，可以直接啟動，水量采用調(diào)節(jié)閥門控制。

圖1鍋爐系統(tǒng)框圖

在用汽高峰時段，鍋爐需要滿負(fù)荷運(yùn)行，鼓、引風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量得到充分利用，鍋爐爐排及減速機(jī)根據(jù)需要以較快的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，鍋爐給水泵也在額定負(fù)荷狀態(tài)下供水，這時，鍋爐的運(yùn)行效率最高，生產(chǎn)單位蒸汽的用電量最低；在用汽量比較平穩(wěn)時，鍋爐達(dá)不到滿負(fù)荷運(yùn)行，鼓、引風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量只要—部分得到利用，鍋爐爐排及減速機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度較慢，鍋爐給水泵的額定負(fù)荷得不到充分發(fā)揮，這時，鍋爐的運(yùn)行效率就會降低，生產(chǎn)單位蒸汽的用電量就會提高；當(dāng)用汽量較小時，鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷較低，鼓、引風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量只有一小部分被利用，鍋爐爐排及減速機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度很慢，鍋爐給水泵的額定負(fù)荷大部分被浪費(fèi)，這時，鍋爐的運(yùn)行效率最低，生產(chǎn)單位蒸汽的用電量最高。

在鍋爐負(fù)荷較小時，鼓、引風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量除一部分被利用外，其他部分的風(fēng)量都被調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板擋在外面：水泵供應(yīng)的水量大部分被閥門截流，這是造成鍋爐運(yùn)行效率低、生產(chǎn)單位蒸汽的用電量高的真正原因。

三、變頻器在鍋爐調(diào)速控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)上的應(yīng)用

（一）鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)控制

鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)采用變頻控制，這是鍋爐系統(tǒng)中變頻應(yīng)用的重頭戲。即是節(jié)電最顯著的部分，同時也是變頻投資最大的部分。這主要是由于鼓、引風(fēng)機(jī)凋節(jié)的幅度相對也較大。變頻器在工業(yè)鍋爐調(diào)速控制系統(tǒng)中，主要應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、供水系統(tǒng)及除渣系統(tǒng)。其最主要的目的在于節(jié)約能源。采用變頻調(diào)速方法節(jié)能的原理，是基于流量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。這些關(guān)系如公式：P2(n2/n1)3P1 =0.512P 1即可降低能耗近 50%。對于鼓、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度問題，可以適當(dāng)提高變頻器的輸出頻率(大于50H z)，即提高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以保證鍋爐系統(tǒng)有足夠的風(fēng)量。否則，極易造成原來系統(tǒng)大負(fù)荷時風(fēng)量夠用(但裕度小)，變頻改造后，大負(fù)荷時風(fēng)量不夠的尷尬局面。其原因在于變頻本身也消耗一部分功率，其輸出功率比標(biāo)稱功率略小。

（二）爐排變頻控制

爐排電動機(jī)很小，而采用變頻器控制的主要目的是穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)然，節(jié)電效果也很大，只是絕對數(shù)值占的比重很小。

（三）恒壓供水

在鍋爐供水系統(tǒng)中采用變頻控制，既能大量節(jié)約能源，又能穩(wěn)定供水系統(tǒng)的壓力，保障鍋爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是非常有實(shí)際意義的，并且供水系統(tǒng)的電動機(jī)相對鼓、引風(fēng)機(jī)而言容量較小，投資不大。因此，非常值得推廣采用。

四、變頻器在工業(yè)鍋爐應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)

（一）實(shí)現(xiàn)了自動控制

揭開了鍋爐運(yùn)行自動化的新篇章，使難以控制的燃燒過程實(shí)現(xiàn)了自動化，減少勞動強(qiáng)度。在網(wǎng)絡(luò)化日益普及的今天，與普通的點(diǎn)對點(diǎn)硬線連接方式相比，通過高速通訊連接的變頻器系統(tǒng)更加高效、自動化。

（二）降低電力線路電壓波動

在電機(jī)工頻啟動時，電流劇增的同時，電壓也會大幅度波動，電壓下降的幅度將取決于啟動電機(jī)的功率大小和所配電網(wǎng)的容量。電壓下降將會導(dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常，如傳感器、接近開關(guān)和接觸器等均

可能會出現(xiàn)誤動作。而采用變頻調(diào)速后，由于能在零頻零壓時逐步啟動，則能最大程度地消除電壓下降。

（三）可對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量作平滑的無級調(diào)速

風(fēng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)，工況曲線更符合系統(tǒng)，提高風(fēng)機(jī)效率，避免了“喘振”現(xiàn)象。穩(wěn)定了爐膛壓力，滿足工作環(huán)境的要求。

（四）低速運(yùn)行可以減少磨損，降低噪音

有利于延長電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。

（五）節(jié)能效果顯著

由于最終的能耗是與電機(jī)的轉(zhuǎn)速立方成正比，所以采用變頻后，大大地節(jié)約了電能，投資回報快，用戶也愿意接受。

五、結(jié)語

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)改造鍋爐，能充分利用變頻器調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，還能通過自動化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，既節(jié)煤、節(jié)電，又安全、環(huán)保，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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