電鍋爐負(fù)荷波動分析與穩(wěn)定控制

唐新安 康承希

(1.贊比亞中色盧安夏礦業(yè)有限公司；2.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

隨著贊比亞電力供應(yīng)日趨緊張，電網(wǎng)公司開始嚴(yán)格限制各企業(yè)用電負(fù)荷，并削減了所有企業(yè)的部分用電負(fù)荷，企業(yè)為此紛紛減產(chǎn)，甚至關(guān)停部分設(shè)備。贊比亞中色盧安夏礦業(yè)有限公司被迫關(guān)停了BALUBA井下礦和與其配套的選礦廠，僅留下濕法廠繼續(xù)生產(chǎn)，而且被要求嚴(yán)格控制負(fù)荷，不得超過規(guī)定負(fù)荷配額。為此，濕法廠嚴(yán)格控制用電負(fù)荷模式。

在實(shí)施負(fù)荷控制過程中，除了停用部分非必要負(fù)載外，發(fā)現(xiàn)全廠用電負(fù)荷波動非常大，總負(fù)荷波動達(dá)2 MW左右，給控制負(fù)荷穩(wěn)定帶來一定的困難。同時(shí)，因?yàn)樨?fù)荷波動太大，不利于生產(chǎn)的有序運(yùn)行，給準(zhǔn)確申報(bào)用電負(fù)荷帶來困難；同時(shí)由于用電負(fù)荷波動太大，導(dǎo)致用電需量增加、電價(jià)提高，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，控制并穩(wěn)定用電負(fù)荷意義重大。

目前，根據(jù)實(shí)現(xiàn)目的不同，國內(nèi)有多種電鍋爐自動控制方式，如利用溫度或壓力參數(shù)采用PID控制方式、采用模糊控制技術(shù)、簡單的加熱率控制等[1]，這些電鍋爐控制方式雖然能實(shí)現(xiàn)一些運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定，但并不能達(dá)到控制并穩(wěn)定電鍋爐負(fù)荷的目的。為此，本文采用了簡單實(shí)用的電鍋爐恒功率控制方式，不僅達(dá)到了減小電鍋爐負(fù)荷波動的目的，而且可根據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù)的變化，隨時(shí)掌控電鍋爐的實(shí)際功率，使生產(chǎn)工藝運(yùn)行處于最佳狀態(tài)。

1 電鍋爐負(fù)荷波動原因分析

在實(shí)施負(fù)荷控制過程中，通過查找發(fā)現(xiàn)，全廠用電負(fù)荷波動大，主要是由電鍋爐負(fù)荷波動造成，僅電鍋爐負(fù)荷波動就達(dá)到了1.5 MW左右。因此，解決電鍋爐負(fù)荷波動問題是解決全廠用電負(fù)荷波動大的關(guān)鍵。經(jīng)過詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，電鍋爐負(fù)荷波動大，與電鍋爐采用的加熱率控制方式有關(guān)。因電鍋爐采用加熱率控制方式，使得電鍋爐負(fù)荷受兩個(gè)因數(shù)影響而不穩(wěn)定。其中電鍋爐負(fù)荷波動大的主要原因是電網(wǎng)電壓波動大且波動頻繁；其次，電鍋爐采用加熱率控制方式，不能保證電鍋爐負(fù)荷的恒定。雖然電鍋爐的加熱率不變，但電鍋爐的實(shí)際負(fù)荷卻有可能發(fā)生變化，電鍋爐加熱率不能反映電鍋爐實(shí)際投入的加熱管數(shù)量，即實(shí)際加熱功率。

1.1 電網(wǎng)電壓波動對電鍋爐負(fù)荷的影響

通過此次實(shí)施的負(fù)荷控制工作，發(fā)現(xiàn)贊比亞由于電力技術(shù)落后，其電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，不僅波動大且上下波動范圍可達(dá)10%(低壓380 V電網(wǎng))，而且波動十分頻繁。此外，其電網(wǎng)頻率也波動嚴(yán)重，每年高壓繼電保護(hù)裝置都會發(fā)生幾次低周跳閘。

由于電鍋爐采用的是加熱率控制方式，設(shè)定好加熱率后，投入的加熱管數(shù)量一定，即電阻R一定。電鍋爐是純電阻性負(fù)載，根據(jù)功率計(jì)算公式P=U2/R，對于純電阻負(fù)載，其功率與電壓的平方成正比。因此，電壓波動必然造成電鍋爐實(shí)際功率的波動，即負(fù)荷波動。電鍋爐總負(fù)荷波動達(dá)1.5 MW左右，除了因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓波動大外，還與電鍋爐的負(fù)載基數(shù)比較大有關(guān)。濕法廠有5臺電鍋爐，每臺電鍋爐額定功率為6 MW，總計(jì)30 MW，所以電鍋爐總負(fù)荷受電壓波動的影響也就變得頗為明顯。

1.2 加熱率控制方式對電鍋爐負(fù)荷的影響

加熱率控制方式存在實(shí)際加熱率不能反映電鍋爐實(shí)際負(fù)荷的問題，即加熱率并未真實(shí)反映出實(shí)際投入的加熱管數(shù)量[2]。電鍋爐采用加熱率控制，即設(shè)定好加熱率后，投入運(yùn)行的加熱管數(shù)量一定。每兩根加熱管為一組，兩個(gè)加熱管的接觸器輔助觸點(diǎn)串聯(lián)作為運(yùn)行反饋信號，用于統(tǒng)計(jì)實(shí)際加熱率。加熱率之所以不能反映出實(shí)際投入的加熱管數(shù)量，主要存在兩種情況：①兩個(gè)加熱管均發(fā)生短路，導(dǎo)致一組(兩個(gè))接觸器主觸頭都燒死故障，此時(shí)空開已經(jīng)跳閘，加熱管沒有工作，但由于接觸器輔助觸點(diǎn)因主觸頭燒死而仍然閉合，導(dǎo)致多統(tǒng)計(jì)了2%的加熱率；②一個(gè)加熱管短路，此時(shí)空開和接觸器均分閘，而另一根加熱管仍在運(yùn)行，雖然仍有一根加熱管參與了加熱，但加熱率仍然減二，少統(tǒng)計(jì)了2%的加熱率。

綜合上述分析可知，電鍋爐加熱率控制方式不能實(shí)現(xiàn)控制電鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定的目的。要想減小電鍋爐的負(fù)荷波動幅度，使電鍋爐負(fù)荷相對穩(wěn)定，必須改變電鍋爐的控制方式，以降低電鍋爐負(fù)荷受電網(wǎng)電壓波動的影響。同時(shí)，也可解決因接觸器故障導(dǎo)致加熱率不能正確反映電鍋爐實(shí)際投入的加熱管數(shù)量的問題。

2 電鍋爐恒功率控制設(shè)計(jì)改造

為降低電鍋爐負(fù)荷受電網(wǎng)電壓的影響，使電鍋爐負(fù)荷在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動，提出了電鍋爐恒功率控制方案。即在電網(wǎng)電壓高時(shí)降低電鍋爐加熱率，在電網(wǎng)電壓低時(shí)，提高電鍋爐加熱率，使電鍋爐的功率在一個(gè)小范圍內(nèi)恒定不變。為了確保電鍋爐運(yùn)行安全可靠，采用以恒功率控制為主，以加熱率控制和比例控制為輔的控制方式。

2.1 電鍋爐實(shí)時(shí)功率采集

要實(shí)現(xiàn)電鍋爐恒功率控制，根據(jù)現(xiàn)有條件無法實(shí)現(xiàn)，需要對電鍋爐的實(shí)際功率進(jìn)行采集，因此需要增加相關(guān)硬件。采集電鍋爐實(shí)際功率有兩種方案：一是增加功率變送器；二是利用進(jìn)線柜已有的智能配電綜合監(jiān)控單元PDM-810PLV-DP，由于PDM-810PLV-DP支持Profibus通訊，可采用通訊方式采集電鍋爐的實(shí)際功率。不論哪種方式，均需增加硬件設(shè)備，并對PLC程序控制邏輯進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，編寫控制程序。前期，首先利用了功率變送器來采集實(shí)時(shí)功率。后期，為了采集電鍋爐進(jìn)線柜各相電壓和電流，又實(shí)施了Profibus DP通訊改造，通過通訊采集各相電壓、電流和實(shí)時(shí)功率等運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.1.1 采用功率變送器采集電鍋爐實(shí)時(shí)功率

在電鍋爐配電室進(jìn)線開關(guān)柜內(nèi)增加功率變送器，用于測量電鍋爐的實(shí)時(shí)功率。電鍋爐房進(jìn)線開關(guān)柜電流互感器為5000/5A，選用功率變送器型號為PA-26-4-A2-V2-O3-P3-C4。三相四線制，輸入相電壓測量范圍0～250 V，輸入相電流測量范圍0～5 A，輸出信號4～20 mA。該功率變送器滿量程輸出功率為3 300 kW，即功率變送器輸出4～20 mA信號，對應(yīng)實(shí)際功率為0～3 300 kW。

根據(jù)功率變送器外部端子圖完成進(jìn)線柜內(nèi)電氣線路接線，并將4～20 mA信號接至PLC，功率變送器外部端子圖見圖1。PLC模擬量模塊為6ES7 331-7KF02-0AB0，由于有空余通道，仍采用原來的模塊，并將最后兩個(gè)通道PIW268和PIW270分別作為I段進(jìn)線柜和II段進(jìn)線柜功率測量通道，需在硬件設(shè)置處將最后兩個(gè)通道改為四線制模式。

圖1 功率變送器外部端子圖

2.1.2 采用Profibus DP通訊方式采集電鍋爐電流、電壓和實(shí)時(shí)功率

敷設(shè)智能配電綜合監(jiān)控單元PDM-810PLV-DP到PLC控制器之間的DP通訊電纜，并接好線。然后，在Step7程序硬件配置里安裝PDM-810的GSD文件，安裝好后，將監(jiān)控單元PDM-810拖到DP總線上，并設(shè)置好其地址、波特率和通訊方式。智能配電綜合監(jiān)控單元PDM-810PLV-DP的DP通訊信息說明見表1。采用通訊方式的優(yōu)勢是可以同時(shí)將各相的實(shí)時(shí)電壓和電流一并采集，有利于對電鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

表1 PDM-810PLV-DP的DP通訊信息表

2.2 功率采樣值工程值轉(zhuǎn)換及異常處理

在Step7程序內(nèi)，功率模擬量轉(zhuǎn)換使用命令FC105[3]，功率測量邏輯控制程序流程見圖2。注意中間變量M3.1和M3.2，如果功率變送器出現(xiàn)故障，如斷線或變送器壞導(dǎo)致無測量結(jié)果，則M3.1和M3.2將置1，并在后面程序中將恒功率控制自動切換到加熱率控制模式。

圖2 功率測量邏輯控制程序流程

2.3 電鍋爐邏輯控制方式確定

為保證電鍋爐安全可靠運(yùn)行，當(dāng)電鍋爐內(nèi)壓力大于360 kP時(shí)，仍采用自動比例控制模式。自動比例控制模式，即根據(jù)電鍋爐實(shí)際蒸汽壓力大小，按事先設(shè)定的加熱率運(yùn)行。即：若Pr測>380 kP，則自動設(shè)定加熱率為0，電鍋爐停止加熱；若Pr測>376 kP，自動設(shè)定電鍋爐加熱率為40；若Pr測>372 kP，自動設(shè)定電鍋爐加熱率為50；若Pr測>368 kP，自動設(shè)定電鍋爐加熱率為60；若Pr測>364 kP，自動設(shè)定電鍋爐加熱率為70。自動比例控制邏輯流程見圖3。

圖3 自動比例控制邏輯流程

當(dāng)電鍋爐內(nèi)壓力小于360 kP時(shí)，可人為選擇恒功率控制或加熱率控制，以選擇恒功率控制為主，當(dāng)采用恒功率控制方式時(shí)，若出現(xiàn)功率測量故障，則自動切換至加熱率控制方式。

2.4 恒功率控制邏輯設(shè)計(jì)

恒功率控制是以電鍋爐的實(shí)際加熱功率為控制目標(biāo)。設(shè)定電鍋爐加熱功率(P設(shè))主要根據(jù)加熱的礦漿溫度來確定，同時(shí)需結(jié)合總負(fù)荷的控制目標(biāo)。因?yàn)槊總€(gè)加熱管的額定功率為60 kW，雖然每個(gè)加熱管的實(shí)際功率受電壓波動而變化，在此仍以60 kW為一個(gè)計(jì)數(shù)單元。當(dāng)電鍋爐設(shè)定加熱功率后，PLC會將設(shè)定功率值和測量功率反饋值(P測)做比較，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出合閘或分閘命令。如果功率設(shè)定值P設(shè)大于實(shí)際功率P測，則PLC發(fā)出投加熱管命令，直到P設(shè)-P測<60 kW；如果功率設(shè)定值P設(shè)小于實(shí)際功率P測，則PLC發(fā)出退加熱管命令，直到P設(shè)-P測>-60 kW；如果-60 kW

當(dāng)電鍋爐設(shè)定加熱功率與實(shí)際功率達(dá)到平衡后，若出現(xiàn)電網(wǎng)電壓升高，使P設(shè)-P測<-60 kW，則PLC發(fā)退出加熱管命令，直到P設(shè)-P測>-60kW。若出現(xiàn)電網(wǎng)電壓降低，使P設(shè)-P測>60 kW，則PLC發(fā)投入加熱管命令，直到P設(shè)-P測<60 kW。雖然電網(wǎng)電壓變化頻繁，且電壓波動幅度較大，但由于可以實(shí)時(shí)檢測到電鍋爐的實(shí)際功率，PLC可根據(jù)實(shí)際功率變化，及時(shí)準(zhǔn)確地投、退電加熱管，使電鍋爐實(shí)際功率保持在設(shè)定值左右波動，且上下波動幅度不超過60 kW。這樣電鍋爐的實(shí)際加熱功率受電網(wǎng)電壓波動的影響大大降低，實(shí)現(xiàn)了電鍋爐的恒功率控制。

為了避免電鍋爐頻繁投、退加熱管，降低接觸器頻繁吸合頻率，盡量保證電鍋爐的穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時(shí)，如果電鍋爐設(shè)定功率與實(shí)際功率之差大于60 kW時(shí)，PLC并不立即投、退加熱管，而是設(shè)置了延時(shí)1 min再執(zhí)行投、退加熱管命令。這樣，可避免電鍋爐因電網(wǎng)電壓波動而頻繁投、退加熱管。

如果實(shí)際功率測量值反饋異常，即出現(xiàn)故障，則自動由恒功率控制模式切換至加熱率控制模式，增加了電鍋爐運(yùn)行的可靠性。恒功率邏輯控制流程見圖4。

圖4 恒功率邏輯控制流程

2.5 加熱率控制模式

加熱率控制模式是以投入加熱管的數(shù)量為控制目標(biāo)的控制方式。設(shè)定電鍋爐的加熱率，即設(shè)定投入加熱管的數(shù)量。人為設(shè)定加熱率后，加熱率不會隨電壓波動變化，除非人為改變電鍋爐的加熱率。加熱率控制邏輯流程見圖5。

2.6 電鍋爐總控制邏輯

綜上所述，電鍋爐一共涉及3種控制方式，自動比例控制模式、恒功率控制模式和加熱率控制模式。其中，當(dāng)電鍋爐內(nèi)實(shí)際蒸汽壓力Pr測>360 kP時(shí)，自動切換至自動比例控制模式；當(dāng)Pr測<360 kP時(shí)，即可選擇恒功率控制模式，也可選擇加熱率控制模式，其中主要選擇恒功率控制模式；當(dāng)電鍋爐實(shí)際功率測量出現(xiàn)故障，即P測反饋異常時(shí)，則自動切換至加熱率控制模式，以保證電鍋爐的運(yùn)行可靠性。電鍋爐控制總邏輯流程見圖6。

圖5 加熱率控制邏輯流程

3 結(jié) 語

贊比亞中色盧安夏礦業(yè)有限公司濕法廠通過對電鍋爐恒功率控制技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了電鍋爐的自動恒功率控制。每臺電鍋爐實(shí)際功率可控制在設(shè)定值±60 kW范圍內(nèi)波動，5臺電鍋爐實(shí)際總功率波動范圍設(shè)定值為±300 kW，即5臺電鍋爐總負(fù)荷波動范圍為±0.3 MW，相比改造前的±1.5 MW波動量減少1.2 MW。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行觀察，電鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，且負(fù)荷控制效果理想，不僅實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定全廠用電負(fù)荷的目的，而且有效降低了企業(yè)的用電需量，每月節(jié)省電費(fèi)超過60萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 電鍋爐控制總邏輯流程

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 郭海山.供熱電鍋爐的PLC控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].黑龍江電力，2011，33(3):178-179.

[2] 徐建軍，湯鈺鵬.供暖鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)[J].電氣傳動，2000(3)：45-47.

[3] 胡學(xué)林.可編程控制器教程(提高篇)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.