DCS在風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

摘要：通過(guò)采用變頻技術(shù)和DCS穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)引送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變控制風(fēng)量大小，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。把DCS系統(tǒng)融入到電子系統(tǒng)中，能夠有效提升電氣設(shè)施的工作效率，將會(huì)影響我國(guó)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化發(fā)展。文章就DCS在風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：DCS；風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速；節(jié)能降耗；應(yīng)用與設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TH445 文章編號(hào)：1009-2374（2015）24-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.007

1 問(wèn)題提出

公司5臺(tái)鍋爐（三用兩備），廠家：四川鍋爐廠，型號(hào)：CG220t/9.8。每臺(tái)鍋爐兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)，廠家：武漢鼓風(fēng)機(jī)廠，引風(fēng)機(jī)型號(hào)：LH-BR260SW（IDF），送風(fēng)機(jī)型號(hào)：LH-FR145D，變頻器型號(hào)為：ZINVERT-A8H1150/10Y。鍋爐DCS控制系統(tǒng)為FOXBRO公司的I/A控制系統(tǒng)。

鍋爐的引送風(fēng)機(jī)主要是進(jìn)行恒速運(yùn)作，依靠風(fēng)門(mén)擋板的調(diào)節(jié)能夠控制風(fēng)量。但是恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，其自身就非常浪費(fèi)資源。當(dāng)我們調(diào)節(jié)鍋爐的蒸發(fā)量、鍋爐的溫度以及鍋爐的壓力時(shí)，一定要記得及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，讓其盡快適應(yīng)負(fù)荷的變化。通過(guò)擋板位置的改變來(lái)控制送風(fēng)量，風(fēng)機(jī)電機(jī)本身利用的能量沒(méi)有多大變化，電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率也幾乎沒(méi)變，這時(shí)我們就可以改變風(fēng)門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)量，進(jìn)而滿足鍋爐工作的需求，然而，這樣一來(lái)不僅會(huì)降低電能的利用率，還會(huì)增加額外的損耗。假如我們采用變速運(yùn)作的模式，就會(huì)完成節(jié)能操控。

2 風(fēng)機(jī)DCS變頻調(diào)速系統(tǒng)改造方案

圖1 風(fēng)機(jī)DCS變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

2.1 變頻器與DCS接口

啟動(dòng)變頻器（DI）：“遠(yuǎn)程控制”方式下，驅(qū)動(dòng)變頻器啟動(dòng)指令。信號(hào)需求為3秒脈沖。有“待機(jī)狀態(tài)”反饋后，變頻器才能接受執(zhí)行該命令。

停止變頻器（DI）：“遠(yuǎn)程控制”方式下，驅(qū)動(dòng)變頻器停止指令。信號(hào)需求為3秒脈沖。該指令相當(dāng)于軟停，變頻器執(zhí)行該指令后，開(kāi)始減速，減速至停止頻率后，自動(dòng)停止輸出功率，并進(jìn)入“停止?fàn)顟B(tài)”和“待機(jī)狀態(tài)”等待下次啟動(dòng)。

風(fēng)門(mén)/閥門(mén)位置反饋（DI）：在變頻器故障轉(zhuǎn)工頻率時(shí)，當(dāng)風(fēng)門(mén)或閥門(mén)關(guān)到設(shè)定值時(shí)，反饋給變頻的信號(hào)。信號(hào)需求為3秒脈沖。

工頻轉(zhuǎn)變頻（DI）：“遠(yuǎn)程控制”方式下、且控制柜門(mén)背面的“手動(dòng)旁路/自動(dòng)旁路”旋鈕進(jìn)行選擇“自動(dòng)旁路”、“允許跳進(jìn)線開(kāi)關(guān)”合上，“允許合進(jìn)線開(kāi)關(guān)”合上，刀閘K1，K2合閘狀態(tài)下。

轉(zhuǎn)速給定（AI）：遠(yuǎn)程頻率給定。DC4～20mA信號(hào)4mA對(duì)應(yīng)1Hz，20mA對(duì)應(yīng)50Hz；

同步轉(zhuǎn)速反饋（AO）：當(dāng)前電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速反饋，為理想空載轉(zhuǎn)速反饋。DC4～20mA信號(hào)，4mA對(duì)應(yīng)1Hz，20mA對(duì)應(yīng)50Hz；

輸出電流反饋（AO）：當(dāng)前電機(jī)定子電流反饋，為變頻電流。DC4～20mA信號(hào)，4mA對(duì)應(yīng)0安培，20mA對(duì)應(yīng)2倍的電機(jī)額定電流。因此DCS程序中，該電流量程應(yīng)設(shè)為2倍的電機(jī)額定電流。

輕故障（DO）：控制回路加電后變頻器循環(huán)自檢后的結(jié)果反饋。若運(yùn)行時(shí)發(fā)生“輕故障”信號(hào)，表示變頻器發(fā)生輕微故障，但是照常輸出功率，若停止時(shí)發(fā)生，表示設(shè)備有輕微故障未被排除，但不影響啟動(dòng)和運(yùn)行

操作。

重故障（DO）：控制回路加電后變頻器循環(huán)自檢后的結(jié)果反饋。若運(yùn)行時(shí)發(fā)生“重故障”信號(hào)，“運(yùn)行”狀態(tài)信號(hào)隨即丟失，則變頻器立即封鎖控制脈沖并停止輸出功率，并進(jìn)入待機(jī)重啟的程序，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)（默認(rèn)5秒），多次伺機(jī)自動(dòng)重啟。若重啟成功后，變頻器重新輸出功率，“重故障”信號(hào)立刻消失，“運(yùn)行狀態(tài)”信號(hào)隨即重現(xiàn)。

待機(jī)狀態(tài)（DO）：給變頻器送高壓后，單元中電容直流電壓>65%后，該信號(hào)自動(dòng)產(chǎn)生，表示變頻器等待接收“啟動(dòng)”指令。運(yùn)行狀態(tài)輸出功率時(shí)，“待機(jī)狀態(tài)”立刻消失。

運(yùn)行狀態(tài)（DO）：變頻器工作在輸出功率狀態(tài)。運(yùn)行過(guò)程中，“重故障”產(chǎn)生時(shí)，“運(yùn)行狀態(tài)”信號(hào)會(huì)

丟失。

停止?fàn)顟B(tài)（DO）：變頻器沒(méi)有輸出功率的狀態(tài)。運(yùn)行過(guò)程中，“重故障”自動(dòng)消失時(shí)，“停止?fàn)顟B(tài)”會(huì)

消失。

工頻狀態(tài)（DO）：指旁路柜中隔離刀閘、接觸器等開(kāi)關(guān)設(shè)備的組合狀態(tài)，均分合到了工頻位置。與“變頻狀態(tài)”信號(hào)相反。

變頻狀態(tài)（DO）：指旁路柜中隔離刀閘、接觸器等開(kāi)關(guān)設(shè)備的組合狀態(tài)，均分合到了變頻位置。與“工頻狀態(tài)”信號(hào)相反。

遠(yuǎn)程控制（D0）：遠(yuǎn)方可以驅(qū)動(dòng)變頻器的“啟動(dòng)”、“停止”、“急?！?、“復(fù)歸”、“變頻轉(zhuǎn)工頻”、“工頻轉(zhuǎn)變頻”指令。頻率給定方式不受此

控制。

就地控制（DO）：變頻器現(xiàn)場(chǎng)可以驅(qū)動(dòng)變頻器的“啟動(dòng)”、“停止”、“急?！?、“復(fù)歸”、“變頻轉(zhuǎn)工頻”、“工頻轉(zhuǎn)變頻”指令。頻率給定方式不受此

控制。

關(guān)風(fēng)門(mén)/閥門(mén)信號(hào)：（DO）：變頻器在故障停機(jī)，自動(dòng)轉(zhuǎn)到工頻時(shí)通知用戶關(guān)風(fēng)門(mén)/閥門(mén)信號(hào)，最長(zhǎng)一分鐘的脈沖信號(hào)，或當(dāng)接收到風(fēng)門(mén)/閥門(mén)位置反饋信號(hào)，此信號(hào)就會(huì)消失。

2.2 風(fēng)機(jī)自動(dòng)旁路柜的接線方案

圖2 風(fēng)機(jī)變頻電氣一次接線原理圖

該方案由3個(gè)真空接觸器J1、J2、J3以及2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)K1、K2組成，其中J1、J2、J3為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的切換。K1和K2為高壓隔離開(kāi)關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器及真空斷路器檢修時(shí)拉開(kāi)，用于電機(jī)工頻運(yùn)行情況下對(duì)變頻器及真空接觸器進(jìn)行安全檢修；并且J1、J2與J3電氣互鎖，防止電機(jī)同時(shí)工/變頻運(yùn)行。QS為原風(fēng)機(jī)電機(jī)高壓斷路器。變頻器功率單元柜由15個(gè)功率單元組成，每5個(gè)功率單元串聯(lián)組成一相，三相Y型連接。當(dāng)其中某一相某個(gè)功率單故障時(shí)，同時(shí)切除其他兩相對(duì)應(yīng)功率單元，不影響引風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

同時(shí)，為了保證引風(fēng)機(jī)電機(jī)及變頻器安全、可靠、長(zhǎng)周期運(yùn)行，系統(tǒng)還設(shè)置有下列聯(lián)鎖保護(hù)。

變頻器啟動(dòng)允許條件：風(fēng)機(jī)高壓斷路器合閘條件保持原有條件不變，變頻器啟動(dòng)允許條件為變頻器備妥及風(fēng)機(jī)入口擋板關(guān)閉，變頻器備妥包括變頻器無(wú)重故障報(bào)警，K1、J1和K2、J2合閘，高壓斷路器已合閘。

高壓斷路器能夠合閘的條件：就是變頻器需要保持待機(jī)狀態(tài)，這樣就能進(jìn)一步表明變頻器的自我檢查符合要求，能夠進(jìn)行高壓操控。這個(gè)接點(diǎn)處需要與高壓開(kāi)關(guān)的合閘進(jìn)行串聯(lián)，完成后才能進(jìn)行合閘。這個(gè)接點(diǎn)只有在閉合時(shí)才能正常工作。

工頻高壓斷路器的分閘處理：小車(chē)的位置發(fā)出有效信號(hào)后，接點(diǎn)處進(jìn)行閉合，這樣高壓斷路器就已經(jīng)完成分閘，而高壓斷路器進(jìn)行合閘時(shí)，這個(gè)接點(diǎn)就會(huì)斷開(kāi)。這個(gè)接點(diǎn)需要是無(wú)源的干接點(diǎn)。

緊急情況下的高壓分?jǐn)啵哼@種情況發(fā)生的前提是變頻器出現(xiàn)了重大問(wèn)題無(wú)法正常工作，變頻器就會(huì)自動(dòng)運(yùn)用斷路器QS進(jìn)行高壓分?jǐn)?。此處接點(diǎn)會(huì)與高壓斷路器的分閘進(jìn)行連接，閉合接點(diǎn)之后就要分閘。

3 節(jié)能分析

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)風(fēng)機(jī)平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式：P/P0=（n/n0）3計(jì)算，式中P0為額定轉(zhuǎn)速N0時(shí)的功率，P為轉(zhuǎn)速n時(shí)的功率。以一臺(tái)鍋爐使用的900kW引風(fēng)機(jī)為例，運(yùn)行工況為一天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，其中每天11小時(shí)運(yùn)行在90%負(fù)荷（頻率按46Hz計(jì)算，擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按98%計(jì)算），13小時(shí)運(yùn)行在50%負(fù)荷（頻率按20Hz計(jì)算，擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按70%計(jì)算），全年運(yùn)行時(shí)間在300天為計(jì)算依據(jù)。

則每臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，每年的節(jié)電量為：

W1=900×11×[1-（46/50）3]×300=657296.64kW·h

W2=900×13×[1-（20/50）3]×300=3285360kW·h

Wb=W1+W2=657296.64+3285360=3942656.64kW·h

擋板開(kāi)度時(shí)的節(jié)電量為：

W1=900×（1-98%）×11×300=59400kW·h

W2=900×（1-70%）×13×300=1053000kW·h

Wd=W1+W2=59400+1053000=1112400kW·h

相比較節(jié)電量為：Wb-Wd=2830256.64kW·h

每度電按0.4元計(jì)算，則采用變頻調(diào)速每年每臺(tái)引風(fēng)機(jī)可節(jié)約電費(fèi)113.2103萬(wàn)元。

3.2 間接收益

首先，可以促進(jìn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，能夠減少頻繁操作引發(fā)的電機(jī)絕緣能力下降，進(jìn)而增加電機(jī)的使用周期。

其次，能夠運(yùn)用變頻調(diào)節(jié)讓擋板全部打開(kāi)，降低了能量損耗，完成勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，符合峰值的要求，減少了電能損耗。

再次，由于負(fù)荷減少導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變小，進(jìn)而降低了機(jī)械摩擦損耗，可以適當(dāng)推遲風(fēng)機(jī)的維修時(shí)間，降低了維修成本。

最后，這樣還能實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的控制，提升抵抗干擾的能力，針對(duì)突發(fā)狀況能夠?qū)嵤┫鄳?yīng)的保護(hù)，確保電機(jī)以及風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作。

4 結(jié)語(yǔ)

最近幾年，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)電力行業(yè)的需求越來(lái)越高，電力供求之間出現(xiàn)了不平衡，我國(guó)很多地區(qū)都進(jìn)行了限制用電、拉閘進(jìn)行節(jié)能。人們重視節(jié)能主要是因?yàn)楣?jié)能不僅可以推動(dòng)生產(chǎn)，減少資金投入比例，還能提升經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于使用電力資源的我們來(lái)說(shuō)，首先考慮的就是如何采取措施完成節(jié)能操作。經(jīng)過(guò)一系列研究我們可以發(fā)現(xiàn)，DCS控制體系能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的操控，這樣可以完善電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能的統(tǒng)一節(jié)能管理。把DCS系統(tǒng)融入到電子系統(tǒng)中，能夠有效提升電氣設(shè)施的工作效率，將會(huì)影響我國(guó)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：張?jiān)龊溃?981-），男，廣西人，供職于廣西華銀鋁業(yè)公司計(jì)控部。

（責(zé)任編輯：周 瓊）