變頻技術(shù)在工業(yè)鍋爐中的安全應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性研究

晉旭琦

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司熱源分公司， 山西 太原 030045）

0 引言

目前很多工業(yè)企業(yè)正在加快鍋爐的改造升級(jí)[1]，通過智能化控制系統(tǒng)、變頻技術(shù)的應(yīng)用提高工業(yè)鍋爐的運(yùn)行水平[2]，這不僅能夠提高鍋爐的運(yùn)行效率和安全性，對(duì)降低能耗提高經(jīng)濟(jì)效益也有著重要的意義。

1 自動(dòng)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次研究主要以某工廠35 t/h 的工業(yè)鍋爐為研究對(duì)象，該鍋爐配備有兩臺(tái)循環(huán)泵（一用一備）、一臺(tái)送風(fēng)機(jī)、一臺(tái)引風(fēng)機(jī)以及一臺(tái)爐排電機(jī)。在自動(dòng)化變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，本次以PLC 控制器為核心，華研工控機(jī)為載體，利用溫度傳感器、壓力傳感器等作為信號(hào)收集器，進(jìn)而根據(jù)需求對(duì)鍋爐的各個(gè)附件設(shè)備進(jìn)行變頻控制。

本次自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，中央控制器以西門子S7-200 PLC 模塊為主，其CPU 為RS485，具有豐富的功能和抗干擾能力，能夠滿足該企業(yè)鍋爐自動(dòng)化控制需求。信號(hào)采集設(shè)備主要有CYB-20S 壓力傳感器、OPG-01 型光電傳感器、TXY501 溫度傳感器、PMC133 壓力變送器、SBYC 差壓變送器。變頻器主要選用三菱FR-F540（L）-S 系列，根據(jù)水泵、風(fēng)機(jī)的控制方式和功率的不同進(jìn)行差異化選擇。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

本次自動(dòng)化控制系統(tǒng)是利用STEP7 編程語言完成的，軟件編程分為主程序和子程序，編程平臺(tái)為PC機(jī)STEP7V5.3 軟件。主程序軟件設(shè)計(jì)包含有三個(gè)功能模塊，其中F1 為風(fēng)機(jī)頻率的設(shè)定，用于控制鍋爐爐膛壓力；F2 為電子信號(hào)模擬量采集模塊，用于記錄、監(jiān)督鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，在鍋爐運(yùn)行參數(shù)超出安全范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)；F3 為循環(huán)泵頻率的設(shè)定，用于調(diào)控鍋爐水壓等。其中F1 功能模塊子系統(tǒng)的軟件邏輯流程如下：在系統(tǒng)開啟后溫度傳感器以及壓力傳感器會(huì)將爐膛內(nèi)溫度和壓力傳遞給中央控制器PLC 中，系統(tǒng)將傳回的數(shù)據(jù)與溫度和壓力預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，得出差值，之后將差值輸入模糊PID 控制算法程序中進(jìn)行計(jì)算，從而得出引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)的輸出頻率，并通過I/O 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)分別傳遞給FR-F540L-90K-CH 變頻器和FR-F540-37K-CH 變頻器中，以此用于引發(fā)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；F2 功能模塊子系統(tǒng)軟件邏輯流程如下：在系統(tǒng)啟動(dòng)后，各傳感器采集各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給PLC 控制系統(tǒng)，之后與預(yù)設(shè)范圍進(jìn)行比較，如果采集信息超出預(yù)設(shè)范圍則發(fā)出聲光報(bào)警，并在人機(jī)交互界面上顯示故障位置測(cè)量值，同時(shí)進(jìn)入應(yīng)急模式，自動(dòng)操控系統(tǒng)停機(jī)切換為手動(dòng)模式，在工作人員處理后測(cè)量值保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)則報(bào)警解除；F3 功能模塊子系統(tǒng)的軟件邏輯流程如下：鍋爐系統(tǒng)開啟后，差壓變送器以及光電傳感器采集鍋爐水流量、水位以及蒸汽蒸發(fā)量信號(hào)，并將信號(hào)傳遞至PLC 中控系統(tǒng)，然后經(jīng)過模糊自適應(yīng)PID 算法計(jì)算，得出鍋爐水位控制參數(shù)，通過I/O 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞到FR-F540L-75K-CH 變頻器，改變變頻器輸出功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，在確保鍋爐蒸發(fā)量的同時(shí)降低能源消耗。

2 變頻控制系統(tǒng)在工業(yè)鍋爐中的仿真模擬分析

為了驗(yàn)證變頻控制系統(tǒng)在工業(yè)鍋爐的應(yīng)用效果，本次研究利用MATLAB/Simulink 對(duì)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，仿真結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 變頻控制系統(tǒng)下鍋爐溫度仿真圖

本次仿真模擬將鍋爐汽包水溫設(shè)置為60 ℃，所得到的溫度響應(yīng)曲線如圖2 所示。

圖2 變頻控制系統(tǒng)下鍋爐汽包水溫變化

由圖2 可知，鍋爐汽包水溫在40 s 左右已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)值（60 ℃），并且溫度超調(diào)量最高達(dá)到70.3 ℃，與預(yù)設(shè)值相差10.3 ℃，超調(diào)率為17.17%。由此可見，在變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用下，鍋爐溫度控制能夠得到良好的控制。

3 變頻技術(shù)在工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性研究

3.1 應(yīng)用安全性分析

變頻控制系統(tǒng)改造主要應(yīng)用于某工廠3 號(hào)蒸汽鍋爐當(dāng)中，該鍋爐蒸發(fā)量為35 t/h，主要為廠區(qū)生產(chǎn)提供蒸汽。本次鍋爐改造時(shí)間為2021 年6 月1 日—2021 年7 月1 日。改造前，鍋爐運(yùn)行方式為人工操控，爐膛壓力主要通過調(diào)控引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)管道上的風(fēng)門進(jìn)行控制，給水量由閥門進(jìn)行控制。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鍋爐主要在20 t/h 的工況下運(yùn)行，因此本次研究也基于此工況進(jìn)行分析，為了驗(yàn)證變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用后鍋爐運(yùn)行安全性，本次選取改造前后兩個(gè)典型日，對(duì)鍋爐爐膛壓力進(jìn)行分析，經(jīng)過對(duì)鍋爐爐膛壓力記錄的計(jì)算分析，得出如圖3 所示的結(jié)果。

圖3 不同控制系統(tǒng)下鍋爐爐膛壓力變化情況

由圖3 可知，在人工控制模式下，鍋爐爐膛壓力波動(dòng)相對(duì)較大，甚至有部分時(shí)間段爐膛內(nèi)部壓力已經(jīng)超出-50~-100 Pa 的范圍，例如在17：11 鍋爐爐壓降至42.97 Pa，這不僅會(huì)對(duì)鍋爐效率產(chǎn)生影響，還會(huì)威脅到鍋爐的使用安全。而在改造完成后，在變頻控制模式的應(yīng)用下，鍋爐爐膛壓力更為平穩(wěn)，并且全時(shí)段壓力均在鍋爐安全使用范圍之內(nèi)。由此可見，變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效提高鍋爐的使用安全性，同時(shí)也能夠降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.2 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析

本次改造工作所投入的費(fèi)用主要由三部分組成，分別為設(shè)備采購費(fèi)用、自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)費(fèi)用以及設(shè)備安裝費(fèi)用。在自動(dòng)化系統(tǒng)建立當(dāng)中，所有涉及到的儀器儀表均換新，并執(zhí)行一用一備原則，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，所有設(shè)備采購費(fèi)用（變頻電機(jī)、變頻器、儀器儀表等）為34.7 萬元，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)費(fèi)用（包含電氣控制部分的安裝連接）共13.5 萬元，設(shè)備安裝費(fèi)用（包含安裝輔材）共11.6 萬元，整體自動(dòng)化變頻控制改造花費(fèi)59.8 萬元。

在鍋爐控制系統(tǒng)改造完成后，經(jīng)過一個(gè)月的運(yùn)行分析發(fā)現(xiàn)，在同等工況下鍋爐的運(yùn)行能耗得到了有效的降低。具體節(jié)能結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，不同工況下變頻節(jié)能改造的節(jié)能效果有著較大的差異，其中鍋爐輸出負(fù)荷越低，變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能效果更好，在15 t/h 工況下，鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)能效率達(dá)到了51.26%，引風(fēng)機(jī)節(jié)能效率達(dá)到了40.76%，循環(huán)泵節(jié)能效率達(dá)到36.92%。由此可見，變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用具有良好的節(jié)能效果。

經(jīng)過對(duì)該廠鍋爐在2021 年前年應(yīng)用情況分析發(fā)現(xiàn)，鍋爐在20 t/h 的工況下運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，可以達(dá)到208 d，在負(fù)荷為30 t/h 的工況下鍋爐運(yùn)行時(shí)間為97 d，負(fù)荷在15 t/h 的工況鍋爐運(yùn)行時(shí)間為21 d，其余時(shí)間為檢修停爐時(shí)間。經(jīng)過計(jì)算可知，在變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用后，該鍋爐全年能夠節(jié)約373 939.3 kW·h，該工廠所處地區(qū)工業(yè)電費(fèi)為0.68 元/（kW·h），因此改造完成后鍋爐全年能夠節(jié)約373 939.3 kW·h×0.68元/（kW·h）≈25.43 萬元。由此可見，在改造完成后運(yùn)行28 個(gè)月時(shí)便能夠抵消改造成本投入。在改造過程中所應(yīng)用設(shè)備使用壽命為15年，從設(shè)備的全生命周期來看，自動(dòng)化變頻控制系統(tǒng)的改造在15 年內(nèi)能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)約321.65 萬元。

4 結(jié)論

1）在鍋爐變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中選用了西門子S7-200 系列PLC，并選用三菱FR-F540（L）-S 系列變頻器作為智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分，同時(shí)在硬件基礎(chǔ)上完善軟件邏輯程序，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

2）利用MATLAB/Simulink 對(duì)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在變頻控制系統(tǒng)下鍋爐汽包水溫控制具有較短的響應(yīng)時(shí)間，并且超調(diào)量較小。

3）將設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用于某工廠35 t/h蒸汽鍋爐當(dāng)中，結(jié)果表明在變頻控制系統(tǒng)下鍋爐爐膛壓力更加平穩(wěn)，安全性更高；以2021 年運(yùn)行工況為基礎(chǔ)，可以計(jì)算出鍋爐全年能夠節(jié)約電能成本25.43 萬元，按設(shè)備使用壽命計(jì)算，自動(dòng)化變頻系統(tǒng)的改造能夠?yàn)槠髽I(yè)降低321.65 萬元的成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。