熱水采暖鍋爐補(bǔ)水泵變頻調(diào)速控制

郭榮祥 陳沐澤 楊文革

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 包頭 014000

2.包鋼鋼聯(lián)股份有限公司薄板坯連鑄連軋廠 內(nèi)蒙古 包頭 014010

3.北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司臨河熱電廠 內(nèi)蒙古 臨河 015000

0 引言

熱水采暖鍋爐補(bǔ)水泵采用變頻器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行以控制鍋爐補(bǔ)水壓力在上世紀(jì)九十年代就已經(jīng)開始應(yīng)用，時(shí)至今日，補(bǔ)水泵變頻調(diào)速的控制方法仍沒有多大變化，這種控制方法的壓力采樣點(diǎn)在循環(huán)泵的入口處，其特點(diǎn)是在鍋爐循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)，循環(huán)泵入口壓降低，需要的補(bǔ)水壓力低，補(bǔ)水泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)變頻器輸出頻率低，補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速無需太高補(bǔ)水壓力即可達(dá)到所設(shè)定的壓力，這是利用了循環(huán)泵吸程的緣故。一旦循環(huán)泵停止運(yùn)行，其入口壓升高，補(bǔ)水泵則停止補(bǔ)水。然而在循環(huán)泵停止運(yùn)行后，其出口壓力降低，易造成建筑物最高處缺水而進(jìn)入空氣，影響用戶采暖。造成這一現(xiàn)象的原因是補(bǔ)水的壓力采樣點(diǎn)不合理，因此找到合適的壓力采樣點(diǎn)并對(duì)其壓力進(jìn)行控制成為解決問題的關(guān)鍵。另外，早期的變頻器沒有PID功能，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制必須另加PID調(diào)節(jié)器，既增加了成本，又降低了可靠性。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻器功能的完善，變頻器本身具備了PID調(diào)節(jié)功能，因而既可以省掉調(diào)節(jié)器，又可以降低故障率。針對(duì)上述問題，本文提出合理的壓力采樣點(diǎn)，并利用變頻器自身的PID功能實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。

1 補(bǔ)水壓力采樣點(diǎn)的確定

采暖鍋爐補(bǔ)水泵應(yīng)確保采暖系統(tǒng)充滿水，避免供暖管網(wǎng)內(nèi)進(jìn)入空氣，以免影響供暖質(zhì)量。常用的壓力采樣點(diǎn)在循環(huán)泵的入口處，如圖1中的A點(diǎn)，其缺點(diǎn)已在引言中講述。合理的壓力采樣點(diǎn)應(yīng)保證循環(huán)泵停止運(yùn)行后管網(wǎng)內(nèi)不進(jìn)入空氣，不管循環(huán)泵是否運(yùn)行，管網(wǎng)內(nèi)都應(yīng)充滿水，既不讓空氣進(jìn)入，補(bǔ)水壓又不是太高，以確保供熱管網(wǎng)或暖氣片的安全，避免管路和供暖設(shè)施泄露或滲水。圖1中箭頭方向表示循環(huán)水流動(dòng)方向，B點(diǎn)即為壓力采樣點(diǎn)。為了確保循環(huán)泵運(yùn)行與停止時(shí)B點(diǎn)壓力相同，最初調(diào)試時(shí)可以通過調(diào)節(jié)閥門1和閥門2的開度來完成。實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)使B點(diǎn)壓力在循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)比循環(huán)泵停止時(shí)略低，這樣可以使循環(huán)泵停止運(yùn)行后補(bǔ)水泵也停止運(yùn)行。

圖1 壓力采樣點(diǎn)示意圖

與補(bǔ)水壓力采樣點(diǎn)為A點(diǎn)的方式相比較，這種方式需要在循環(huán)泵的出口與入口之間增加測(cè)壓管路及閥門，如圖1中的閥門1、閥門2及其聯(lián)通管路。管路及閥門不必太大，采用4分管及4分閥即可。壓力測(cè)量可以采用壓力變送器或電阻遠(yuǎn)傳壓力表，為了降低成本，建議采用電阻遠(yuǎn)傳壓力表，一方面價(jià)格低廉，另一方面易于采購，維修及更換方便及時(shí)。圖2給出了管網(wǎng)壓力控制原理圖。圖中，虛線內(nèi)部分為變頻器內(nèi)部電路。水壓給定通過變頻器外接電位器完成，水壓反饋與給定進(jìn)行比較，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后控制其輸出電壓和頻率，從而控制補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，使鍋爐水壓穩(wěn)定在設(shè)定的值上。

圖2 管網(wǎng)壓力控制原理圖

2 補(bǔ)水泵主電路

一般鍋爐補(bǔ)水泵采用一用一備用的方式，也有采用多用一備用的方式，但以前者居多，本文介紹一用一備方式。為了確保在變頻器故障時(shí)不影響鍋爐的補(bǔ)水，電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保證補(bǔ)水泵在變頻器故障時(shí)仍可工頻運(yùn)行，因此電路的設(shè)計(jì)既有變頻驅(qū)動(dòng)又有工頻驅(qū)動(dòng)，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換。圖3給出了補(bǔ)水泵的主電路圖。

圖3中，變頻器選用ABB電氣傳動(dòng)有限公司生產(chǎn)的專門用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵的ACS510系列產(chǎn)品，當(dāng)然也可以選用其他公司的產(chǎn)品，特別是近年來，國(guó)產(chǎn)品牌的用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)泵類的變頻器質(zhì)量已很過關(guān)，價(jià)格低廉，廠家眾多，可以選用。接觸器KM0為變頻器的進(jìn)線接觸器，KM1和KM3是由變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的切換接觸器，二者不可同時(shí)吸合，控制電路中必須有互鎖功能。KM2和KM4是工頻運(yùn)行接觸器，水泵工頻運(yùn)行時(shí)吸合。FR1和FR2為工頻運(yùn)行時(shí)對(duì)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)的熱繼電器。

圖3 補(bǔ)水泵主電路

圖4 補(bǔ)水泵控制電路

3 補(bǔ)水泵控制電路

與圖3相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)水泵控制電路如圖4所示。圖中QF1為控制電路電源開關(guān)，轉(zhuǎn)換開關(guān)SW用于選擇補(bǔ)水泵運(yùn)行于工頻狀態(tài)還是變頻狀態(tài)，通過按鈕起動(dòng)或停止相應(yīng)的補(bǔ)水泵。工頻與變頻之間通過接觸器線圈相互之間串聯(lián)對(duì)方的常閉觸點(diǎn)設(shè)置了相應(yīng)的互鎖，用于1號(hào)泵和2號(hào)泵變頻運(yùn)行的接觸器KM1和KM3也設(shè)置了互鎖，以免變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)補(bǔ)水泵。

4 變頻器控制端接線及參數(shù)設(shè)置

變頻器控制端接線如圖5所示。圖中，電位器DW1為給定電位器，用于設(shè)定給定補(bǔ)水壓力，AI1為變頻器給定輸入端。為了降低成本以及便于備品備件的采購，采用電阻遠(yuǎn)傳壓力表進(jìn)行壓力反饋，變頻器的AI2端為反饋輸入端，圖5中的電位器DW2即為遠(yuǎn)傳壓力表內(nèi)部電位器，由于其阻值較小，在外部串聯(lián)一阻值為1K的電阻R，以限制AI2端的輸入電流，避免損壞變頻器內(nèi)部輸入電路。由于AI1及AI2的輸入信號(hào)均為電壓信號(hào)，需要把變頻器內(nèi)部的模擬輸入跳線開關(guān)J1搬到電壓位置。圖4中的接線與下面介紹的PID應(yīng)用宏有關(guān)，數(shù)字輸入端DI1為變頻器的運(yùn)行輸入端，接通時(shí)變頻器起動(dòng)，數(shù)字輸入端DI2接通選擇PID控制，數(shù)字輸入端DI5接通允許運(yùn)行，斷開變頻器將停車，數(shù)字輸入端DI6得電起動(dòng)。由變頻器供電接觸器KM0的常開輔助觸點(diǎn)控制，一旦接觸器KM0吸合，變頻器得電，輔助觸點(diǎn)接通運(yùn)行信號(hào)，變頻器就開始運(yùn)行。

圖5 變頻器控制端接線圖

ABB變頻器的參數(shù)設(shè)置采用應(yīng)用宏的方式。宏是一組預(yù)先定義的參數(shù)集，應(yīng)用宏將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用過程中所需設(shè)定的參數(shù)數(shù)量減至最少。選擇一個(gè)宏能夠?qū)⑺械膮?shù)設(shè)置為該宏的默認(rèn)值，這些宏包括ABB標(biāo)準(zhǔn)宏、3-線宏、交變宏、電動(dòng)電位器宏、手動(dòng)/自動(dòng)宏、PID控制宏、PFC控制宏（泵和風(fēng)機(jī)控制）和SPFC宏（泵和風(fēng)機(jī)的循環(huán)軟起控制），由參數(shù)組99設(shè)定。對(duì)于本系統(tǒng)而言，采用PID控制宏，該應(yīng)用宏用于多種閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括壓力控制、流量控制等，把參數(shù)組99中的9902設(shè)定為6即可選擇。

對(duì)于參數(shù)組99中的其他參數(shù)，設(shè)置如下：

9901：1，選擇中文語言；

9905：380V，電動(dòng)機(jī)的額定電壓為380V；

9906：電動(dòng)機(jī)的額定電流，按電動(dòng)機(jī)銘牌設(shè)定；

9907：50Hz，電動(dòng)機(jī)的額定頻率；

9908：電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，按電動(dòng)機(jī)銘牌設(shè)定；

9909：電動(dòng)機(jī)的額定功率，按電動(dòng)機(jī)銘牌設(shè)定。

其他有關(guān)參數(shù)組的參數(shù)設(shè)置如下：

1001：1，DI1 控制起/停，DI1 得電起動(dòng)，DI1 斷電停止；

1103：1，給定來自 AI1；

1201：0，恒速功能無效；

1601：5，允許運(yùn)行信號(hào)，DI5得電變頻器才允許運(yùn)行；

1608：6，起動(dòng)允許信號(hào)，DI6得電變頻器才允許起動(dòng)；

2003：設(shè)置變頻器提供給電機(jī)的最大電流；

2007：設(shè)置變頻器輸出頻率的最小值；

2008：設(shè)置變頻器輸出頻率的最大值；

2202：設(shè)定加速時(shí)間；

2203：設(shè)定減速時(shí)間；

4001：PID調(diào)節(jié)器的比例增益；

4002：PID調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)；

4003：PID調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常數(shù)；

4010：1，給定值選擇，模擬輸入AI1作為給定；

4014：1，反饋值選擇，選擇實(shí)際值 1（ACT1）為反饋信號(hào)；

4016：2，定義實(shí)際值1（ACT1）的信號(hào)源，取AI2為 ACT1；

其他參數(shù)采用變頻器出廠默認(rèn)值。

較低的比例增益和較長(zhǎng)的積分時(shí)間會(huì)使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但是反應(yīng)遲緩。而過大的比例增益或過短的積分時(shí)間有可能使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。PID參數(shù)設(shè)置步驟可按照如下步驟進(jìn)行：首先把4001（比例增益）設(shè)為0.1，4002（積分時(shí)間）設(shè)為20秒，起動(dòng)電動(dòng)機(jī)并觀察系統(tǒng)是否在保持穩(wěn)定的同時(shí)快速達(dá)到設(shè)定點(diǎn)。如果不是，增加4001（比例增益）的值直到系統(tǒng)開始振蕩，可以通過起停電機(jī)的方式觀察到這種振蕩。然后減小4001（比例增益）的值直到消除振蕩，最后設(shè)置4001的值為上述值的0.4至0.6倍。其次，減小4002（積分時(shí)間）的值直到電機(jī)轉(zhuǎn)速開始振蕩，然后增加4002（積分時(shí)間）的值直到消除振蕩，最終設(shè)置4002的值為上述值的1.15至1.5倍。微分時(shí)間常數(shù)可以設(shè)置一個(gè)很小的值或不設(shè)。

5 結(jié)論

采用上述控制方法的鍋爐補(bǔ)水泵補(bǔ)水效果很好。多年的運(yùn)行證明，采暖系統(tǒng)不僅不缺水、不進(jìn)氣，管道滲漏明顯減少，節(jié)電的同時(shí)，既減少了維護(hù)工作量，又降低了水和熱量的浪費(fèi)，深得用戶好評(píng)。

［1］郭榮祥，弓小龍.采暖鍋爐定壓控制裝置的變頻調(diào)速改造［J］.自動(dòng)化與儀表，1999，（5）.

［2］樊啟春，方士賓.淺析變頻調(diào)速技術(shù)在鍋爐補(bǔ)水泵上的應(yīng)用［J］.水泵技術(shù)，2000，（4）.

［3］賈琨，張建等.變頻調(diào)速在采暖熱水鍋爐控制中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀表，2002，（2）.

［4］劉洪臣.微機(jī)自動(dòng)控制變頻補(bǔ)水系統(tǒng) ［J］.電氣時(shí)代，2003，（11）.

［5］金光龍，李英俊，金英碩.采暖鍋爐定壓控制裝置的改造［J］.自動(dòng)化與儀表，2002，（3）.

［6］ABB.低壓交流傳動(dòng) ACS510變頻器用戶手冊(cè)［Z］.3ABD00016170版本A.