增壓泵變頻控制應(yīng)用及技術(shù)改進(jìn)

周勁松

（國(guó)華徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221166）

1 變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用背景

某電廠2×1000MW機(jī)組燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的水沖洗系統(tǒng)于2012年上半年投入使用，其沖洗水由含煤廢水處理系統(tǒng)的噴淋泵提供。因在45m煤倉(cāng)層水沖洗時(shí)水壓較低，于2012年下半年在碎煤機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)站安裝了1臺(tái)TPG100-250A立式單級(jí)單吸式管道離心泵(電機(jī)型號(hào)Y2-200L1-2，功率30kW，額定電流55.5A，轉(zhuǎn)速2950r/min)，使用后增壓效果明顯，出口壓力可達(dá)1MPa。由于沖洗用水量不恒定以及延遲停機(jī)，增壓泵始終維持高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，造成電機(jī)發(fā)熱，對(duì)沖洗水管路產(chǎn)生較大壓力，易導(dǎo)致管路故障率增加和縮短泵體、電機(jī)使用壽命，同時(shí)也浪費(fèi)了大量電能。為此，該電廠于2013年8月定購(gòu)安裝了1套變頻控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)1個(gè)月的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該變頻控制系統(tǒng)存在若干問(wèn)題，經(jīng)技術(shù)改造，已全部得以解決。

2 變頻控制系統(tǒng)電氣控制原理

變頻控制系統(tǒng)是為30kW增壓泵配套的控制裝置，包括1臺(tái)西門子430系列37kW變頻器，2套壓力檢測(cè)傳感器和工、變頻切換主令器件，其輸入電源為三相交流380V。變頻控制系統(tǒng)主要功能為:變頻恒壓供水、工頻直接啟動(dòng)運(yùn)行、變頻故障時(shí)自動(dòng)切到工頻運(yùn)行、缺水報(bào)警等。從變頻控制系統(tǒng)主回路電路圖(見(jiàn)圖1)中可以看出，輸出壓力值由可調(diào)電位器R1(帶機(jī)械鎖定功能)給定，電機(jī)工頻和變頻驅(qū)動(dòng)的主回路由交流接觸器KM1和KM2進(jìn)行互鎖切換，變頻器規(guī)格選型為37kW，比30kW電機(jī)高出一個(gè)功率級(jí)，以保證負(fù)荷的使用余量。變頻器控制工藝應(yīng)用為“泵和風(fēng)扇”(見(jiàn)表1)，為保證啟動(dòng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和減小對(duì)管路的沖擊，參數(shù)“斜坡上升時(shí)間”設(shè)為10s，“斜坡下降時(shí)間”設(shè)為30s。

圖1 變頻控制系統(tǒng)主回路電氣原理

DV2為出口數(shù)字壓力表，該表可顯示管路輸出水的實(shí)際壓力值，同時(shí)為變頻器提供模擬量反饋信號(hào)。DV1為進(jìn)口數(shù)字壓力表，該表可顯示管路輸入水的實(shí)際壓力值，同時(shí)提供缺水報(bào)警信號(hào)。數(shù)字壓力表型號(hào)為NPXM-2011P3智能數(shù)字顯示報(bào)警儀，采樣速度100ms/次，可設(shè)置報(bào)警點(diǎn)及線性輸入量程，隔離的變送輸出方式，輸出量程可設(shè)置?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)定2臺(tái)數(shù)字壓力表的參數(shù)一致(見(jiàn)表2)，參數(shù)HIS和HIo初次設(shè)置為1.000，是根據(jù)一開始選用的壓力變送器的量程設(shè)置的。

表2 數(shù)字壓力表主要參數(shù)設(shè)置表

3 故障現(xiàn)象分析及處理

3.1 調(diào)試時(shí)壓力變送器損壞

設(shè)計(jì)時(shí)，電廠提出的要求是控制出口壓力在0.85MPa，廠家提供的壓力變送器的量程為0～1MPa，輸出4～20mA。安裝調(diào)試時(shí)，變頻器報(bào)故障，增壓泵自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，水壓超過(guò)1MPa，致使出口壓力變送器損壞。后廠家換壓力變頻器量程為0～1.6MPa，輸出4～20mA的壓力變送器，其工作額定電壓為24VDC，精度為0.5級(jí),故障消除。由此可見(jiàn)，選用壓力變送器時(shí)，其壓力范圍要考慮工頻工況下的壓力最大值。2臺(tái)數(shù)字壓力表的參數(shù)HIS和HIo設(shè)置改為1.600，以保證與壓力變送器的量程一致(見(jiàn)表2)。

3.2 變頻器故障后水泵不能停止

在使用“自動(dòng)”模式的過(guò)程中，在出現(xiàn)變頻器故障后，增壓泵自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，但此時(shí)在停止按鈕失效，需要將“手、自”轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到“手動(dòng)”位置，水泵電機(jī)才會(huì)停止。通過(guò)對(duì)圖紙分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)上存在錯(cuò)誤。一旦變頻器報(bào)故障，變頻器輸出繼電器RC3動(dòng)作，控制回路電源會(huì)通過(guò)RC3和故障輔助繼電器KB3觸點(diǎn)轉(zhuǎn)接至停止按鈕SB1之后（見(jiàn)圖2），所以此時(shí)的停止按鈕失去斷開控制回路的能力。在將RC3改為與KB3觸點(diǎn)并聯(lián)，切斷RC3與電源的回路(401)后，即可解決上述問(wèn)題。

3.3 變頻器報(bào)“過(guò)電壓”、“過(guò)電流”故障

圖2 變頻控制系統(tǒng)控制回路電氣原理

增壓泵變頻器運(yùn)行中經(jīng)常報(bào)F0001—Overcurrent(過(guò)電流)、F0002—Overvoltage(過(guò)電壓)故障。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)檢查，分析出造成變頻器報(bào)“過(guò)電壓”和“過(guò)電流”故障的原因是運(yùn)行人員快速調(diào)整給定電位器R1(可調(diào)電位器R1的機(jī)械鎖定可以隨意解鎖)。這會(huì)造成2種情況：一是調(diào)整定值過(guò)高(滿量程為1.6MPa)，變頻器全速運(yùn)行也無(wú)法達(dá)到給定值，始終以大增益狀態(tài)運(yùn)行，最終報(bào)“過(guò)電流”故障；二是快速調(diào)整導(dǎo)致定值快速降低，變頻器迅速降低輸出頻率，但由于增壓泵電動(dòng)機(jī)慣性作用而不能立即降速，即會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)處于再生運(yùn)行方式，變頻器報(bào)“過(guò)電壓”故障。

根據(jù)上述故障是由于壓力定值未鎖定使得運(yùn)行人員不易操作而造成的，因此只要將定值鎖定即可。首先將參數(shù)P2253[3]—CI:PID setpoint(PID給定值)設(shè)為P2253.0=2250(PID-MOP)，即PID設(shè)定值信號(hào)源為PID-MOP。參數(shù)中的[3]表示可設(shè)置3個(gè)命令數(shù)據(jù)組，由于現(xiàn)場(chǎng)僅使用第一命令數(shù)據(jù)組，因此只需對(duì)第一命令數(shù)據(jù)組進(jìn)行設(shè)置，然后將P2240[3]—Setpoint of PID-MOP(PID-MOP的給定值)設(shè)為P2240.0=53.2%，即設(shè)計(jì)增壓泵出口0.85MPa，相對(duì)于1.6MPa量程的53.13%(見(jiàn)表 3)。

3.4 變頻器報(bào)“無(wú)負(fù)載”故障

變頻器運(yùn)行中常報(bào)F0422—No load applied to inverter(變頻器無(wú)負(fù)載)故障。經(jīng)分析，這是缺水引發(fā)的故障。設(shè)計(jì)電路中對(duì)于缺水故障信號(hào)是通過(guò)進(jìn)水端壓力變送器提供的，設(shè)定值為0.1MPa，出現(xiàn)缺水時(shí)僅發(fā)出報(bào)警信號(hào)，而不控制停機(jī)。水系統(tǒng)的沖洗水由含煤廢水處理系統(tǒng)的噴淋泵提供，噴淋泵開機(jī)時(shí)，水系統(tǒng)壓力可達(dá)到0.5MPa。噴淋泵停機(jī)時(shí)，水系統(tǒng)壓力在0.2MPa左右，此時(shí)啟動(dòng)變頻器，水壓下降，“缺水報(bào)警”指示燈亮而不停止變頻器運(yùn)行。變頻器在此狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行，水出口壓力只能在0.4MPa及以下，變頻器無(wú)法增壓至設(shè)定值，即報(bào)“變頻器無(wú)負(fù)載”故障。且故障的同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到工頻工況，增壓泵繼續(xù)運(yùn)行，如不及時(shí)處理，在真正缺水時(shí)可能造成增壓泵過(guò)熱燒毀。

表3 變頻器給定值和PID調(diào)節(jié)量參數(shù)設(shè)置

針對(duì)“缺水故障”不停機(jī)問(wèn)題，增加了一個(gè)缺水故障繼電器KB4(見(jiàn)圖2)，其線圈與“缺水報(bào)警”指示燈并聯(lián)，其常閉觸點(diǎn)串在停止按鈕之后。這樣，當(dāng)系統(tǒng)缺水時(shí)，整個(gè)控制回路斷開，增壓泵停止工作。為便于判斷停機(jī)原因，還加入了KB4的常開觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“缺水故障”自保持，“缺水故障”報(bào)警可通過(guò)停止按鈕復(fù)位。同時(shí)，將進(jìn)水端壓力變送器下限設(shè)定值改為0.3MPa，避免旁路閥門開啟后，回流水壓產(chǎn)生的虛假進(jìn)水信號(hào)，防止在缺水狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行。

3.5 PID調(diào)節(jié)量設(shè)定不當(dāng)

由于增壓泵電機(jī)功率較大，而出水管徑相對(duì)較細(xì)(直徑100mm)，水壓波動(dòng)劇烈，造成變頻器反應(yīng)敏感，系統(tǒng)振蕩加劇，引起過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作。這是因PID調(diào)節(jié)量設(shè)置不當(dāng)引起的。為此降低了比例系數(shù)，延長(zhǎng)了積分時(shí)間，使變頻器動(dòng)作變化的靈敏度降低，減輕了系統(tǒng)振蕩的強(qiáng)度(見(jiàn)表3）。

3.6 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)干擾問(wèn)題

為解決現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)干擾問(wèn)題，在初步調(diào)試階段增加了直流信號(hào)隔離器(PARAGON PA-1187)，當(dāng)模擬信號(hào)受到高頻諧波干擾時(shí)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行處理，保證壓力傳感信號(hào)的正常。同時(shí)增加了1臺(tái)24V直流線性開關(guān)式電源，為隔離器和壓力變送器提供穩(wěn)定的24V DC電源。改進(jìn)后的信號(hào)回路如圖3所示。

圖3 信號(hào)回路電氣原理

4 改進(jìn)效果與后續(xù)改進(jìn)設(shè)想

4.1 改進(jìn)后的效果

對(duì)變頻器采取上述改進(jìn)措施后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，控制方式滿足了實(shí)際需要，變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

在工頻運(yùn)行方式下，電流最大為35A(額定電流為55.5A)，在現(xiàn)場(chǎng)水需求量較少的情況下，電流維持在30A。而在變頻運(yùn)行方式下，啟動(dòng)電流從0平穩(wěn)上升，滿負(fù)荷時(shí)電流為30～35A，在現(xiàn)場(chǎng)水需求量較少的情況時(shí)，變頻器頻率下降到20Hz以下，電流下降到10A以下，且運(yùn)行平穩(wěn)。

假設(shè)每天增壓泵低負(fù)荷狀態(tài)為6h，每天可節(jié)約電量約為60kWh。因增壓泵每天都要使用，每年可節(jié)約電量20000kWh，節(jié)能效果明顯。

4.2 后續(xù)改進(jìn)設(shè)想

變頻器運(yùn)行中目前尚存在溫度過(guò)高的問(wèn)題(變頻器安全運(yùn)行溫度≤50℃)，尤其在夏季，由于設(shè)備安裝在碎煤機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)站的滾軸篩層，環(huán)境溫度和濕度高，對(duì)變頻器的安全影響較大。因此，應(yīng)移位到環(huán)境溫度較低的底層MCC室內(nèi)(要注意輸出電纜的長(zhǎng)度應(yīng)≤100m)，或配置有現(xiàn)場(chǎng)空調(diào)裝置的單獨(dú)房間中。

如果控制電路采用可編程邏輯控制器(PLC)和觸摸屏，控制電路會(huì)更簡(jiǎn)單，改變控制方式將更為容易，且顯示數(shù)據(jù)更加完整。如入口、出口壓力信號(hào)的模擬量直接進(jìn)入PLC，PLC與變頻器間可用數(shù)據(jù)線直接通訊連接，觸摸屏可以顯示工藝流程、變頻器的輸出頻率、工作電流、運(yùn)行時(shí)間、整定值、入口壓力、出口壓力、故障名稱等，能進(jìn)一步提高設(shè)備的整體控制性能。

1 王兆義.變頻器應(yīng)用：專業(yè)技能入門與精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.