1 引言
工業(yè)鍋爐根據(jù)其采用的燃料不同，通常分為燃煤、燃油和燃?xì)?種。這3種鍋爐的燃燒過程控制系統(tǒng)基本相同，只是燃料量的調(diào)節(jié)手段有所區(qū)別。對于集中供熱系統(tǒng)中通常較為普遍采用的是燃煤方式。本文僅以我公司參與的“天津市八大片供熱改造工程”中“天拖供熱鍋爐房”在風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載上應(yīng)用變頻控制技術(shù)為例，詳細(xì)介紹abb變頻器在鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2 應(yīng)用變頻的必要性
對風(fēng)機(jī)、水泵一類的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)的各個(gè)方面，是電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的一類機(jī)械。對這類設(shè)備的調(diào)節(jié)，歷來的方法是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板或閥門的開度來完成。在調(diào)節(jié)過程中，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速是不可變的，因此大部分的能量都消耗在了擋板及閥門上，造成了能量的浪費(fèi)。變頻調(diào)速技術(shù)的引入使以往的調(diào)節(jié)方式發(fā)生了根本性的變化。電動(dòng)機(jī)的速度由原來的不可變，變?yōu)榭勺儯妱?dòng)機(jī)可以根據(jù)實(shí)際需求量實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，加之這一類負(fù)載電動(dòng)機(jī)的軸功率輸出p與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的立方成正比，因此可以獲得巨大的節(jié)能效果。圖1為在風(fēng)機(jī)上應(yīng)用變頻調(diào)節(jié)與擋板調(diào)節(jié)電能消耗對比圖表。從上述分析可知，“天拖供熱鍋爐房”的總設(shè)計(jì)能力為280mw(其中20t蒸汽鍋爐3臺(tái)，40t水鍋爐2臺(tái)，80t水鍋爐3臺(tái))，至2001年12月止已投入運(yùn)行的容量為220mw。其中所涉及的鍋爐引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵用變頻器全部為abb acs600及acs400系列產(chǎn)品，功率范圍從5.5kw-380kw(400v等級(jí))�？刂品桨覆捎媚壳傲餍械膁cs系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)鍋爐的自動(dòng)燃燒運(yùn)行。
圖1 變頻控制和擋風(fēng)門控制的功耗對比
圖2 自控系統(tǒng)框圖
圖3 鍋爐燃燒系統(tǒng)框圖
3 控制方案
3.1 控制方案概述
鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個(gè)多參數(shù)對象，多擾動(dòng)，各參數(shù)交叉影響的系統(tǒng)。當(dāng)前所采用的連條式鍋爐存在較大的不確定性、復(fù)雜性、不穩(wěn)定性，以及較大的容量滯后和較長的滯后時(shí)間。因此，采用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)很難達(dá)到控制要求，甚至無法投入自動(dòng)運(yùn)行。分析現(xiàn)有許多鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)和鏈條式熱水鍋爐的運(yùn)行情況，確實(shí)存在以下控制難點(diǎn):
(1) 鏈條式熱水鍋爐從進(jìn)煤量的變化到其燃燒產(chǎn)生熱量，并使鍋爐出口水溫度發(fā)生變化需要較長的時(shí)間，即鍋爐出口水溫度純滯后時(shí)間長、容量滯后大，用簡單的pid控制很難獲得理想的效果。
(2) 煤質(zhì)的變化，造成風(fēng)煤比的改變，采用一般的定值控制系統(tǒng)無法使系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳或次最佳的燃燒狀態(tài)。
(3) 燃燒過程機(jī)理復(fù)雜，影響燃燒工況的因素較多，對象變化較大，很難準(zhǔn)確地建立單一的控制模型。
3.2 控制方案
針對以上情況，采用以下控制方案:
(1) 鍋爐燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)如圖3所示,鍋爐燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是保證水溫的穩(wěn)定，同時(shí)保證鍋爐的安全運(yùn)行。除此之外，關(guān)鍵在于如何保證經(jīng)濟(jì)燃燒，這也是鏈條式熱水鍋爐節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在，眾所周知，經(jīng)濟(jì)燃燒問題，實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)煤量和進(jìn)風(fēng)量的配比問題，如果能保證適當(dāng)?shù)娘L(fēng)煤比，就可以實(shí)現(xiàn)最高的燃燒效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒。如果空氣量不足造成不完全燃燒，產(chǎn)生co，這種情況除污染環(huán)境外還造成嚴(yán)重的熱能損失;反之，當(dāng)空氣量過多時(shí)，將帶走大量的熱量，造成過剩的空氣損失。由于現(xiàn)階段的檢測手段和檢測設(shè)備尚不能方便地測得準(zhǔn)確的進(jìn)煤量和進(jìn)風(fēng)量，給整個(gè)風(fēng)煤比的自動(dòng)控制造成一定的難度，但進(jìn)煤量與爐排轉(zhuǎn)速、煤層厚度存在著一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，而進(jìn)風(fēng)量同樣與鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速存在同樣的關(guān)系，這可以巧妙地避開這一難題，使風(fēng)煤比在整個(gè)運(yùn)行過程中始終保持在最佳或次最佳。
還存在另一個(gè)難題，就是由于煤質(zhì)的變化同樣會(huì)造成風(fēng)煤比比值的漂移，那么一個(gè)定值控制系統(tǒng)是無法適應(yīng)煤質(zhì)變化這一干擾的，所以在這里我們加入了自尋優(yōu)控制方案，初次投運(yùn)時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和摸索初步設(shè)定調(diào)風(fēng)煤比的給定值，系統(tǒng)投入自動(dòng)并穩(wěn)定后，定時(shí)啟動(dòng)自尋優(yōu)功能，根據(jù)爐膛溫度的變化和煙氣含氧量的變化自動(dòng)微調(diào)風(fēng)-煤比至最佳或次最佳，達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒。
這里用于調(diào)整進(jìn)風(fēng)量的鼓風(fēng)機(jī)采用ac s600系列變頻器加以控制，獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及平穩(wěn)的控制特性，以使風(fēng)-煤比的調(diào)整更趨于精確
(2) 爐膛壓力調(diào)節(jié)如圖4所示。
圖4 爐膛壓力調(diào)節(jié)方框圖
由于爐膛負(fù)壓的變化反映比較靈敏，可作為一個(gè)單獨(dú)的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，引風(fēng)量隨著鼓風(fēng)量的變化作相應(yīng)的調(diào)整，使?fàn)t膛負(fù)壓始終保持在一定壓力上，維持整個(gè)燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
引風(fēng)機(jī)同樣采用abbacs600變頻器與鼓風(fēng)機(jī)變頻相匹配以達(dá)到對爐膛負(fù)壓的快速調(diào)整。
(3) 定壓調(diào)節(jié)
補(bǔ)水泵和循環(huán)水泵控制是保證正常、穩(wěn)定供熱的重要環(huán)節(jié)，補(bǔ)水泵和循環(huán)水泵控制均采用定值調(diào)節(jié)。根據(jù)定壓點(diǎn)的壓力，通過采用abb公司acs400變頻器調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速，及時(shí)補(bǔ)充水量，防止系統(tǒng)缺水，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。通過采用abb公司acs600變頻器對循環(huán)水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持系統(tǒng)供回水壓力穩(wěn)定，同時(shí)由于變頻器本身具有軟啟、軟停的功能特性，因此也避免了“水錘”對管網(wǎng)及設(shè)備產(chǎn)生的沖擊，為系統(tǒng)正常供熱提供保障。
4 系統(tǒng)配置
l 操作員站
操作員站的硬件由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其配置為pⅲ733cpu、128m內(nèi)存、15g硬盤、19″彩色顯示器、工程師鍵盤(標(biāo)準(zhǔn)鍵盤)等。
操作員站的監(jiān)控軟件采用美國interlution公司的fix軟件包。
l 打印機(jī)
采用日本epson公司的lq1600kⅲ打印機(jī)。
l 鍋爐現(xiàn)場控制站及公用控制站
采用美國霍尼威爾公司生產(chǎn)的umc-800。該產(chǎn)品具有較高的可靠性和較好的性能價(jià)格比。
l 水流量檢測儀表
采用日本富士公司生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)。該產(chǎn)品技術(shù)較先進(jìn)，使用、維護(hù)較為方便。
l 壓力檢測儀表
差壓變送器及壓力變送器均選用技術(shù)先進(jìn)，性能優(yōu)良的abb公司的產(chǎn)品。
l 變頻器
均采用abb公司的傳動(dòng)產(chǎn)品。其中用于引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)以及循環(huán)泵的變頻器全部為acs600系列產(chǎn)品。
具體配置為:
20t:引風(fēng)機(jī)acs601-0070-3 3臺(tái)
鼓風(fēng)機(jī)acs601-0060-3 3臺(tái)
40t:引風(fēng)機(jī)acs607-0200-3 2臺(tái)
鼓風(fēng)機(jī)acs601-0070-3 2臺(tái)
80t:引風(fēng)機(jī)acs607-0400-3 2臺(tái)
鼓風(fēng)機(jī)acs607-0140-3 2臺(tái)
循環(huán)泵:acs607-0320-3 1臺(tái)
補(bǔ)水泵:acs401-0009-3 2臺(tái)
鍋爐房控制系統(tǒng)主要功能包括:鍋爐出水溫度控制、鍋爐燃燒控制、爐膛壓力控制等和鍋爐房公用部分的自動(dòng)控制，各種熱工參數(shù)、電氣參數(shù)、管理參數(shù)的采集和監(jiān)視等。其中:變頻器是實(shí)現(xiàn)以上各部功能的最主要的執(zhí)行設(shè)備，因此它的運(yùn)行好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行。
5 abb變頻器的性能描述
(1) 靈活的控制連接
變頻器作為系統(tǒng)中主要的執(zhí)行設(shè)備，其控制連接必須具有良好的開放性。acs600本身具有多種內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)控制連接，即abb變頻器特有的應(yīng)用宏可供不同的應(yīng)用選擇。在鍋爐控制系統(tǒng)中，最常用的是"手動(dòng)/自動(dòng)"應(yīng)用宏。它可以通過1個(gè)外部開關(guān)量很容易實(shí)現(xiàn)本地控制與遠(yuǎn)程控制的切換(如圖5的控制連接)。三路模擬輸入可以方便的接收來自控制站的給定信號(hào)以及現(xiàn)場的反饋信號(hào)，二路模擬輸出可最大限度地為現(xiàn)場控制站提供有效的動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)值，三路繼電輸出可為控制系統(tǒng)提供靈活的繼電回路方案。
圖5 acs600系列變頻器標(biāo)準(zhǔn)接線圖
(2) 高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
一般情況下，風(fēng)機(jī)類負(fù)載具有典型的大起動(dòng)慣量、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，而acs600的直接轉(zhuǎn)矩控制特性有效地解決了大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的問題(最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的200％)，使得起動(dòng)過程即快又平穩(wěn)，根本看不到以往v/f控制方式的變頻器在底速起動(dòng)時(shí)的脈動(dòng)現(xiàn)象。
(3) 完全合格的emc設(shè)計(jì)
由于此鍋爐房的規(guī)模較大，集中使用變頻器的總?cè)萘恳蚕鄬艽�，因此對變頻設(shè)備所產(chǎn)生的干擾以及其抗干擾能力的問題就顯得比較突出。而在第二類用電環(huán)境下應(yīng)用abb變頻器可以很好的解決上述擔(dān)心的問題。acs600變頻器含有內(nèi)置的交流進(jìn)線電抗器，可以對網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的諧波成分有效的加以抑制，同時(shí)acs600內(nèi)部特有的光纖信號(hào)連接的方式以及殼體上的特殊的屏蔽涂層又可很好的解決抗干擾問題。從應(yīng)用至今的實(shí)際效果來看，現(xiàn)場的其它控制設(shè)備(包括計(jì)算機(jī)、智能儀表等)并未因變頻器的運(yùn)行而受到干擾。
(4) 充分提高變頻器及電動(dòng)機(jī)的使用效率
對大部分風(fēng)機(jī)類負(fù)載，其實(shí)際的負(fù)載往往比較輕，而傳統(tǒng)的變頻器在調(diào)速的全過程中是要保持磁通量近似恒定的，顯然，在負(fù)荷比較低的時(shí)候變頻器和電機(jī)的效率會(huì)很低。acs600變頻器對這類負(fù)載設(shè)有一個(gè)非常有用的功能，即磁通優(yōu)化功能。在優(yōu)化模式下，電機(jī)磁通被自動(dòng)地適應(yīng)于負(fù)載以提高效率同時(shí)降低電機(jī)的噪音。在現(xiàn)場利用一臺(tái)380kw的引風(fēng)機(jī)對此功能進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，此功能可以使變頻器和電動(dòng)機(jī)的平均效率撮高近8%，這在大容量的風(fēng)機(jī)負(fù)載中，其效果是相當(dāng)可觀的。
6 結(jié)束語
近些年，我公司在集中熱行業(yè)上推廣應(yīng)用變頻技術(shù),供熱鍋爐所涉及的單臺(tái)容量從4mw以下一直到56mw應(yīng)用abb變頻器達(dá)400多臺(tái)，總?cè)萘繉⒔?0000kw，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，總結(jié)了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，控制方案也已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)系列方式，目前我公司的wjp1系列變頻控制柜以及dcs控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于供熱行業(yè)中。
參考文獻(xiàn)
[1] abb公司acs600變頻器使用手冊。
作者簡介
劉 鎮(zhèn) 男 高級(jí)工程師 現(xiàn)任天津萬得福變頻技術(shù)公司總經(jīng)理，主要從事變頻調(diào)速供熱工程項(xiàng)目的推廣應(yīng)用。