（机械工程专业论文）变频控制调速技术及其在锅炉控制系统中的应用.pdf

贵州大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文系统的分析了变频控制调速技术的原理及应用情况，井对变频控制调速技术在l o 吨 循环硫化床锅炉上风机控制的应用作了全面系统的论述。 对于变频控制调速系统作了详细的理论与实验性的研究。通过对变频控制调速原理的深 入分析，变频控制风机控制燃烧和原采用工频恒速控制风机调节风门控制燃烧，从理论上 分析了两者工作的基本原理过程。同时对于锅炉燃烧运用变频p d 闭环控制的可行性进行了 理论研究，并对变频控制前后能耗数据作了分析和比较，论证了变频控制的原理分析的正确 性和节能的巨大潜力。 同时，对变频调速控制锅炉给水泵控制锅炉液位也作了论述 本项目的研究为变频调速技术在锅炉燃烧控制和绘水控制的应用提供了坚实的理论基 础。具有重要的参考价值。 关键词：变频控制调速技术，变频p i d 闭环控制，锅炉燃烧控制 f 爿 贵州大学工程硕士学位论文英文摘要 t h i st e x ts y s t e ma n a l y z e st h ec h a n g ef l e q u e n c yc o n t r o lt oa d j u 砒t h es o o nt e c h n i c a lp r i n c i p l e a n da p p l i e st h ec i r c u m s t a n c e , a n dt oc h a n g ef m q u e n c yt h ec o n l 3 - o la d j u s ts o o nt h et e c h n i q u e c i r c u l a t e dt h ev u l c a n i z e db e db o i l e ri n 1 0t o n st om a k eo v e r a l l u e 4 l f i s eo ft h es y s t e mu pt h e a p p l i c a t i o nt h a t t h eb l _ i g e z em a c h i n ec o n l r 0 1 a d j u s tf o rt h ec h a n g ef r e q u e n c yc o n t r o ls o o nt h es y s t e mm a d et h er e s e a r c ho ft h ed e t a i l e d t h e o r i e sa n de x p e r i m e n t p a s s 幻t h ec h a n g ef r e q u e n c yt h ec o n t r o la 哇；u s ts o o np r i n c i p l eo f t h o r o u g h a n a l y s i s , c h a n g et h ef r e q u e n c yc o n t r o l b r e e z em a c h i n ec o n t r o lc o m b u s t i o na n do r i g i n a ld o p t i o nt h e w o r kf r e q u e n c ya l w a y sc o n t r o l st h eb r e e z em a c h i n es o o n , r e g u l a t i l l gac o n t r o l c o m b u s t i o n , a n a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l ep r o c e s st h a tb o t hw o r kf r o mt h et h e o r i e s ，砒t h es a m et i m ef o rb o i l e r b u r n a b l eu s a g ec h a n g et h ef r e q u e n c yp i ds h u tt h ep o s s i b i l i t yo ft h ew r e a t hc o n t r o lt oc a r r y0 1 1t h e t h e o r i e sr e s e a r c h , a n dt oc h a n g ef r e q u e n c yc o n t r o lc a nc o n s u m et h ed a t ai nf r o n ta n db a c kt om a k e a n a l y s i sa n dc o m p a r e ，a r g u m e n th u g ep o t e n t i a lt h a tc h a n g et h ea n a l y 嘲a c c u r a c yo fp r i n c i p l et h a t f r e q u e n c yc o n t r o la n de c o n o m i z eo ne n e r g y a tt h es a m et i m e , a 匈u s lt ot h ec h a n g ef r e q u e n c yt oc o n t r o l c dt h eb o i l e rw a r t ys u p p l yt op u m p t oc o n t r o lt h eb o i l e rl i q u i dt oa l s om a k et h et r e a t i s es o o n p a s st h em e t i c u l o u st h e o r i e sa n a l y s i s , a l s ot ot h a ti t e mt h ee x i s t e n tc o r r u p tp r a c t i c ec a r r i e do nt h e v a l u a t i o na n dp u tf o r w a r dt h ep e r f e c tm e a s u m ，t h i sp r o g r e s st h a tw i l lb ea d v a n t a g e o u st ot h a ti t e m i n d u s t r f st u r n t h er e s e a r c ho f t h i si t e mf o rc h a n g et h ef m l u e n e yt oa d j u s ts o o nt h et e c h n i q u ec o n l r o l si nt h eb o i l e r b u r n a b l ec o n t r o la n dw a t e rs u p p l i e so fa p p l i c a t i o np r o v i d e dt h es o l i dt h e o r i e sf o u n d a t i o n , h a v et h e i m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d ：c h a n g et h ef r e q u e n c yc o n t r o la d j u s i $ 0 0 1 1t e c h n i q u e , c i l a q g et h ef i 世q u a n c yp i dt os h u t t h ew r e a t hc o n t r o l ，t h eb o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r o l ， h 贵州大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 l 。1 选题的工程意义及背景 本课题来源于实际生产，是我厂重大技术改造项目。 锅炉是企业生产的“心脏”，锅炉本身的控制系统较为复杂。传统含义上，锅炉的燃烧控 制就是依靠人工调节给煤，人工调节风门对锅炉的鼓、引风风量进行控刳，实现锅炉燃烧状 态控制的目的。传统的锅炉风机控制系统中，锅炉鼓风、引风控制采用接触器控制，故障率 较高，影响了锅炉的正常稳定运行，制约了生产；风量调节控制靠改变风门挡板的开度来实 现的( 电机恒速运行) ，能源浪费大； 锅炉给水采用手动控制执行器控制，在用汽量波动大 时，安全性不够高等。 在以前，往往是通过人工调节的方式来完成这个燃烧状态控制调节工作，通过人的感觉 器官的识别弗经过大脑的分析处理做出动作的决定，借助压力、温度显示仪表来实现锅炉燃 烧状态控制。近年来。随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传 动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制 技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和 改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、 高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的 调速方式。随着我国经济建设的飞速发展，能源需求趋于紧张。企业是电能消耗大户，风机、 泵类负载占比重大，作为耗能的主要负载，长期以来，由于负载变化大而动力源电机的转速 不变，浪费能源。 综上所述，希望通过变频控制调节技术的应用，实现对鼓风机、引风机、水泵电动机的 软启动和无级变速，并进一步实现锅炉燃烧的温度自动调节及给水控制的自动调节，提高锅 炉运行控制可靠性、锅炉给水系统安全性，达到提高锅炉安全稳定运行及节能降耗的目的。 1 2 国内外发展情况 由于在调速技术的先进性、便于实现系统自动控制、节约能源、运行可靠性高等多方面 的优势，变频调速技术得到世界各国的重视。发达国家在变频调速技术的研究和工业应用方 面发展迅速，处于技术领先地位。 随着我国改革开放，经济高速发展，变频调速技术的研究及应用也取得了显著的进步， 但与发达国家相比仍然存在一定的差距。变频调速技术在锅炉控制系统中的应用还很有限。 多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频调速技术的开发及推广应用，在技术 开发、技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用 变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向。同时鼓励单位开展统贷统还方 式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用，促进我国变频调速技术的研究和应用。 贵州大学工程硕士学位论文1 绪论 1 3 本文的主要研究内容 l 、锅炉的安全稳定运行是最重要的，安全稳定的可靠保障就是控制系统的可靠性。通过 变频控制技术的应用，实现风机软启动和无级变速，并进一步实现锅炉燃烧的自动调节及给 水控制的自动调节，提高锅炉运行控制可靠性、锅炉给水系统安全性，达到提高锅炉安全稳 定运行及节能的目的提高锅炉运行的安全稳定性： 2 、由于能源日趋紧张，变频调速技术已成为企业节约能源及提高产品质量的有效措施之 一o 3 、变频控制调速技术的广泛应用已经成为企业的迫切需要和当务之急。 1 9 9 8 年1 月1 日实旅的中华人民共和国节约能源法第3 9 条，已将变频调速列入通用 节能技术加以推广。在国家经贸委r 九五”资源节能综合利用工作纲要中。变频调速已 被列入重点组织实旃的1 0 项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。即将出台的限期性政 策规定；对新建和扩建工程需要调速运行的风机和水泵，一律不准采用挡板和阀门调节流量； 对采用挡板和阀门调节流量的要分期、分批、有步骤地进行调速改造。变频调速技术已成为 节约能源及提高产品质量的有效措施。 我厂锅炉控制系统原采用交流接触器式控制。锅炉风机风量调节控制靠改变风门挡板的 开度( 电机恒速运行) 来实现的，能源浪费大，能耗大，运行可靠性差。采用变频调速控制 可实现风机软启动和无级变速，并进一步实现锅炉燃烧的温度自动调节及给水控制的自动调 节，提高锅炉运行控制可靠性、锅炉给水系统安全性，节约能源，提高锅炉运行可靠性 2 贵州大学工程硕士学位论文2 变频控制调速技术的原理、发展及应用憧强 2 变频控制调速技术的原理发展及应用情况 2 1 变频控制调速技术的原理 异步电机的转速n 可以表示为； 。 ：+ 4 。 嚣= 6 0 l 0 - 曲= 嘞一矗两 p 公式中，n 2 为同步转速，a n l 为转差损失的转速，p 为磁极对数，s 为转差率，f 为电源 的频率。可见。改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。频率的下降会导致磁通的增 ：， 加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。 为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了 保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控 制来实现，故称为可变频率可变电压调速( v v v f ) ，简称变频调速。 实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路 以及控制器( m o u i ) s p ) 等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波 后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变 器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值； 通过改变调制周期控制其输出频率。从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满 足变频调速对u f 协调控制的要求。删的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近似 正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。 2 2 变频控制调速技术的发展及发展方向 2 2 1 变频控制调速技术的发展 所谓变频调速技术，是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速目的的技术。大 家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大范围来分，电机有直流 电机和交流电机。过去的调速，多数用直流电机，由于直流机调速容易实现。但直流机固有 的缺点：滑环和碳刷要经常拆换，给人们带来太大的麻烦。因此就有人想，如果把可靠简单 的笼式交流电机用来调速那该多好! 因而就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串 电阻调速、串极调速、液力偶和调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、 同步机、这些都是交流电机。 到2 0 世纪8 0 年代，由于电力电子技术，微电子技术和信息技术的发展，才出现了对 交流机来说最好的变频调速技术。它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方 贵州大学工程硕士学位论文 2 变频控制调速技术的原理、发展及应用情况 式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。因而说变频调速是时代的产物，只有在技 术高度发展的今天，才能实现。为什么说它是基于电力电子、微电子、信息技术发展的产物? 一是它的逆交部分都基于电流很大、电压很高的s c r 、g 1 1 l 、i g g r 、g t o 、a c t 等电 力电子器件来完成的。什么叫逆变：就是直流变交流( d c a c ) 那么交流变直流就叫整 流( a c d c ) 。二是它的控制部分和负载状态的检测是由c p v ( 3 2 位计算机) 来完成 这是微电子器件发展的结果。三是内置4 2 0 m a 接口和r s 4 8 5 接口可以和仪表、d c s 相 接，通过总线p r o f i b u s 、n t e r b u s 通讯。 通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变 频器”。为了产生可变的电压和频率。该设各首先要把电源的交流电变换为直流电( d c ) 。 把直流电( d c ) 变换为交流电( a c ) 的装置，其科学术语为“i n v e r t e r ”( 逆变器) 。 由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“i n v e r t e r ”，故该产品本身就 被命名为i n v e r t e r ”，即：变频器，交频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不 仅有电机( 例如空调等) ，还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压。 又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电 池( 直流电) 产生交流电的设备也以i n v e r t e r ”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛 应用于各个领域。 2 2 2 变频调速技术的发展方向 ( 1 ) 交流变频向直流变频方向转化 直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电机始终处于最佳 运行状态。它摒弃了交流变频技术的交流一直流一交流一变转速方式交流电机的循环工作方 式，采用先进的交流一直流一变转速方式数字电机的控制技术，无逆变环节，因而减少电流 在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控制，平稳安静高效地运转。 同时，避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点，噪声更加低。 ( 2 ) 控制技术由p 删( 脉宽调制) 向p 埘( 脉幅调翻) 方向发展 采用删控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过 ? 0 0 0 r m i n 。而采用p 斌控制方式的压缩机转速可提高1 5 倍左右，这样大大提高了快速制冷 和制热能力。同时，由于p 棚在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比刑 更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着p 贼无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成， 减小对电网的污染。 4 贵州大学工程硕士学位论文2 变频控制调速技术的原理、发展及应用情况 ( 3 ) 功率器件向高集成智能功率模块发展 虽然单个功率器件的效率越来越高，控制简化，但电的复杂性给生产和测试带来不便。 智能功率模块( i p m ) 是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决，因而易于使用。 可靠性高。以变频空调为例，我国的变频空调几乎1 0 0 采用i p m 方式。 近年来带驱动和保护电路的智能功率模块( i p m ) 相继面市。i p l i 是将三相逆变i g b t 、驱 动电路以及保护电路集成在一块芯片上。它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型 i p m 模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定 义，很快可以组成运行系统。 2 3 变频控制调速技术的应用 在工业生产和产品加工制造业中，电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及 维护、维修费用占到生产成本的7 2 5 是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断 深入，市场竞争的不断加剧：节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之 一而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了 一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及 其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机 功耗达到系统高效运行的目的。八十年代末，该技术引入我国并得到推广。现已在电力、冶 金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前，变 频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电 效果，改善现有设备的运行工况。提高系统的安全可靠性和设各利用率，延长设备使用寿命 等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。 尤其在风机设备中应用得较为广泛，如锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统 等场合，根据生产需要对妒膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要 求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样， 不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节 流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设 备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。泵类 设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水( 油) 循 环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生 5 贵州大学工程硕士学位论文2 变频控制谓速技术舶原理、发展及应用情况 产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。 这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、f 爵体的磨 损和汽蚀，严重对损坏设备，影响生产。危及产品质量。风机，泵类设备多数采用异步电动 机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设 备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机 也被烧毁的现象。近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变 频调速器( 简称变频器) 易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点：因而 采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。 该调速节能原理可以从以下两个方面来说明： 1 、风机水泵的节电原理就是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量，这是一个节电 的有效途径。风机的特性曲线如图1 所示。在用档风板控制额定风量q l = 1 0 0 输出时，则 轴功率n 1 与面积a h l0 q l 成正比，若风量减半q 2 = 5 0 输出时，则轴功率n 2 与面积b h 2 0 q 2 成正比，它比n l 减少不多，这是因为需要克服档风板阻力增大风压所致。如果采用调 速控制同样风量减半输出时，转数由n 1 降至n 2 ，按风机参数比例定律画出1 1 2 时的特性 曲线，c 点为新的工况点，这时轴功率n 2 与面积q 1 3 0 0 2 成正比，在满足同样风量q 2 情 况下，轴功能降低很多，节省的功率耗损n 与面积b h 2 h 3 c 成正比，可见节电效果十分显 著。 iiii 2 、流体力学的观点 流量o c 转速 图l 6 塞丝查堂三垦堡主堂篁丝奎! 奎塑叁型塑望垫查塑堡堡：垄垦墨堡旦堕! ! 一 压力一转速2 轴功率o c 转速3 若转速下降2 0 ，则功率下降到5 1 2 若转速下降5 0 ，则轴功率下降到1 2 5 即使考虑调速装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的 7 贵州大学工程硕士学位论文 3变频改造的总体技术方案 3 锅炉变频调速控制改造的总体技术方案 3 1 总体改造方案 3 1 1 普通锅炉系统工作原理 ( - - ) 、锅炉的工作原理： 锅炉是由锅炉本体和燃烧设备( 包括炉膛和烟道) 两韶分组成。锅炉本体由受压部件组 成汽水系统。它吸收燃烧设备燃料所放出的热量将锅炉给水加热到需要的热水( 符合热水 锅炉额定参数) 或蒸汽( 符合蒸汽锅炉额定参数) 。燃烧设备是由妒膛、烟道组成的风、燃 料、烟系统，燃料与空气混合燃烧把热量传递给汽水系统，而烟气自身温度逐渐降低，直至 经除尘器、引风机由烟囱排入大气。 下面以双炉筒横置式循环硫化床管锅炉( c f b 锅炉) 为例。简要介绍锅炉的基本结构和工 作过程。 1 、锅炉的风、煤、烟系统： 将锅炉所需要的煤经粉碎机粉碎为粒度小于l o m m 的煤粉送入加煤斗。然后经锅炉给煤绞 龙送入炉膛。煤粉进入炉膛后用鼓风吹起，在炉膛的一定高度上成沸腾状燃烧。( 煤在沸腾炉 中的燃烧，既不是在炉排上进行的。也不是像煤粉炉那样悬浮在空问燃烧。而是在沸腾炉料 床上进行的。) 沸腾料层的平均温度一般在8 5 0 1 0 5 0 ，料层很厚，相当于一个大蓄热池， 其中燃料仅占5 左右，新加入的煤粒进入料层后就和温度高几十倍的灼热颗粒混合，因此能 很快燃烧，故可应用煤矸石代替。( 生产实践表明，利用含灰分高达7 0 、发热量仅7 5 4 u j l 【g 的煤矸石，锅炉运行正常4 0 一5 0 的热可直接从床层接收) ，煤最后燃烬成炉渣进 入灰渣放料管排出炉外。燃烧的煤产生高温烟气，在引风机的抽吸作用下以一定的流速依次 经炉膛、对流烟道，烟气不断将热量传递给炉膛和对流受热面，而烟气本身温度逐渐下降， 最后经除尘器、引风机和烟囱排入大气。 2 、锅炉的汽水系统： 锅炉给水由给水泵送入省煤器，省煤器的作用是利用锅炉尾部烟气热量加热锅炉给水、 降低排烟热损失、提高锅炉热效率经省煤器加热的炉水进入上锅筒，上锅筒组成水循环回 路，即：高温区的对流管束中的汽水混合物是由下锅筒向上吸热流动进入上锅筒；而低温区 对流管中的炉水是由上锅筒向下吸热流动进入下锅筒。同时上锅筒的另一部分炉水通过水冷 壁管束和对流管束受到高温烟气的强烈辐射将炉水汽化产生蒸汽，因此水冷壁管中的汽水混 8 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 合物由下集箱或下锅筒上升进入上锅筒；而下降管中的炉水由上锅筒向下流进下集箱。在上 锅筒内汽水混合物经汽水分离装置分离后进入汽空间，并进入过热器内将饱和蒸汽继续加热 成需要的过热蒸汽。 。 3 1 2 锅炉性能分析： 一、锅炉的电气单元及拖动机构一般由鼓风机、引风机、给水泵、循环泵和冲渣泵( 除 灰泵) 组成，在原有的锅炉系统中一般都采用以下方式：鼓、引风机采用离心式风机，利用 档板或阀门调节鼓、引风量；给水和循环水系统由给水泵和循环泵完成。给水量、出水量、 回水量及水压由阀门调节；利用调速电机和控制器控制给煤 二、普通锅炉系统存在的问题 所有电机均工作在工频5 0 h z 状态下，电能消耗量大浪费严重而且噪音非常大； 1 、磁调速电机的滑差部分封闭性差，在运行环境较恶劣的锅炉现场长期使用易产生滑 差头抱死的情况，可靠性差，维护工作量大； 2 、 普通控制方式基本上为手动操作、调节，锅炉运行人员劳动强度大、控制精度低： 3 、 由于水量压和风量压不能准确控制，致使水、煤量消耗较大； 4 、原有的自耦降压启动装置在电机启动时仍存在较大的冲击电流，对一次开关回路电 器元件、二次继电回路仪表和电缆的容量要求较高且系统可靠性较低，维护工作量大等。 3 1 3 改造方案 锅炉的鼓、引风机的作用是用来保障燃料充分燃烧并维持锅炉炉膛保持徽负压。锅炉鼓、 引风机动力控制是采用传统的由按纽、继电器、接触器等低压控制电器组成的电器控制线路 直接控制。锅炉鼓、引风机的电机总是处于额定功率转速下运行，电机转速不可调，风机始 终处于1 4 6 5 r m i n ( 2 9 0 0r m i n ) 高速转动，锅炉炉膛用风量的大小只能通过调节风门的开度 来调节，其结果在风门上会造成大的能量损耗如果不用风门调节，而是控制风机调速运行， 那么当需要的风量减少对，电动机的转速降低，消耗的能量显著减少。 整个运动参数受控于主控系统，鼓风控制系统和引风控制系统组成动态系统，通过锅炉 鼓风自动调节和负压自动调节控制引风组成锅炉燃烧自动控制系统，从而达到燃烧自动控制 和节能的目的。系统示意如图3 1 。 9 贵州大学工程硕士学位论文 3变频改造的总体技术方案 锅炉鼓风自动调节：当锅炉入煤量发生变化时，炉膛温度与鼓( 送) 风量有一极值关系。 为了提高锅炉热效率，送风量与入炉煤量保持适当的比例，计算机控制模型中广泛采用这种 自寻优晟佳风煤比调节规律，示意图如图3 2 所示。 负压自动调节：炉膛内压力控制在微负压状态下，且能控制从炉膛到炉膛出口、对流管 束、省煤器直到烟道出口的烟气速度，从而控制各段热量的分配和传热系数。示意图如图3 3 所示。 鼓风自动调节系统是为了实现锅炉燃烧的经济稳定而存在的，因此这个系统是必需的。 负压自动调节系统是整个系统的核心部分，炉膛负压控制主要是保证人员和设备的安全， l o 重型盔堂三堡堡主堂篁笙奎 ! 奎塑塾垄盟璺箜堇查塑i ! 一 并减少环境的污染，负压控制是通过调节鼓引风机速度实现的。其中，采用鼓风机速度 为前馈，当鼓风量增加的同时增加引风机转速，保证炉膛负压始终小于大气压力微负压运 行，以保证热效率并防止烟气夕l = 溢，维持负压在燃烧工艺要求内。 随着科学技术的发展，变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和 节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。锅 炉控制系统正朝着高速智能化的方向发展控铡技术也越来越复杂，系统组成越来越紧密， 实现的功能也越来越丰富，这些都是社会经济发展的必然结果。 3 2 主要技术概况 3 2 1 变频器工作原理和性能简述 3 2 1 1 交流调速方式 根据异步电机原理，电机转速为： n = ( 6 0 f l p ) ( 1 一s ) 式中：p 一电机极对数； f 1 电机定子电源频率； s 一电机的转差率 由式( 1 一1 ) 知，电机调速方式有三种：变极( p ) 调速；变转差率( s ) 调速，变频( f 1 ) 调速。 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 3 2 1 2 变频调速 根据异步电机原理，定子电压v l 与f 1 和磁通中m 有以下关系： v i e i = 4 “f 1 k w w o m( 1 - 2 ) 由式( 1 2 ) 知，若单纯改变f l 会造成严重的磁过饱和或转矩特性变软。必须在改变f l 同时，改变v 1 ，以维持中m 为恒值，这种调速为恒转矩调速。在转速变化的整个范围内，低 频段转矩比高频段略有下降。低频依靠增大定子电压来补偿，但当频率高于5 0 1 t z 时，由于受 定子额定电压的限制，不能维持中m 为恒值，此时为恒功率调速。 3 2 1 3 变频调速器的性能 1 、现代电力电子技术、微电子技术和控制技术相结合，使变频调速器不仅具有显著的 节电性能，而且具有如下性能： ( 1 ) 大范围、高精度、平滑无级调速； ( 2 ) 体积小、重量轻、挂墙安装，占地面积小； ( 3 ) 可远距离、隔墙操作，操作方便，简单可靠； ( 4 ) 保护功能完善，并能自诊断显示故障所在，维护简便。安全可靠； ( 5 ) 内设功能多，可满足不同工艺要求 ( 6 ) 具有目前国际通用的外部接口端子，可自如的同计算机，p l c 联机，实现闭环现控制； ( 7 ) 软起动，软停机，具有电流限定和转差补偿控制： ( 8 ) 电机直接在线启动，启动转矩大，启动电流小，减少对电网和设备的冲击，并具有转 矩提升功能； ( 9 ) 功率因数高，节省电容补偿装置； ( 1 0 ) 高速响应，低噪声，世界通用的电源标准0 2 卜4 6 0 ) 。 2 、变频器的选型 ( 1 ) 容量选择 变频器容量应根据电动机额定电流来选择。 驱动单台电机的变频器额定输出电流i v 一定要大于电机额定电流i e ，若频繁启制动， 变频器的容量应适当加大，一般是 i v y ( l l 1 5 ) i e 驱动多台电机的变频器额定输出电流i v 定要大于所有电机额定电流的总和，一般是： 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 i 。却1 “5 ) 凰i 。 注意：启动电流不能超过变频器的过载电流。 总之，变频器容量的选择就是满足在最大工作电流时不超过变频器的过载容量( 电流) 。 3 、性能选择 ? 变频调速器的性能包括控制性能、运行性能和环境三个方面。控制性能包括控制方 式、输出频率范围、频率精度、输出电压输出频率比、制动转矩、过载能力等；运行 性能包括容许电压变动范围、频率设定信号、加减速时间、保护功能等：环境包括周围 温度、保存温度、周围湿度、周围气体、标高、振动等。现将主要性能指标简要说明如 下： ( 1 ) 控制方式有p 埘、p 砌、正弦波p 髓等多种控制方式。目前采用较多的是正弦波p 删 方式。 ( 2 ) 频率范围由最低使用频率到最高频率。最低使用频率不同于启动频率。启动频率很 小对并不一定能使电机从该频率开始转动。 ( 3 ) 频率分辨率对于数字控制方式，频率分辨率越小越好。对于模拟控制方式无定义。 “) 频率设定信号要注意可否采用内部信号和外部信号，如能直接接受4 2 0 丑a 信号则 更为方便。 ( 5 ) 容许电压变动范围一般最小为l o 。范围越大，性能越好。 1 3 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 3 2 2 引风机系统变频调速改造 引风机系统是锅炉的重要组成部分，用于控制炉膛燃烧负压和将烟气排出。 我公司是生产中小型斜交轮胎及实心轮胎为主的企业，所用锅炉为1 0 吨循环硫化床锅 炉，锅炉引风机型号为y 5 - 4 8 一l o o ，湖南长沙风机厂制造，产于1 9 9 7 年1 月，9 7 年7 月到我 公司投入使用。引风机是锅炉的一种专用设备，投入使用后，由于电机转速高，速度不可调 节，只能靠机械风门调节引风量，过桥轴承和叶轮的磨损均比较严重，机械风门受到高速风 的冲击，引起振动，导致整体风机系统的振动过大，造成影响生产和维修费用及维修工作的 增加；引风机叶轮原采用锰钢材料，使用周期短：我们对这些问题进行了分析研究并对引风 机控制部分进行了变频改造；引风机时轮进行了材质调整；以达蔓i 提高生产效率，降低维修 率，节约能源，满足生产需要的目的。 3 2 2 】变频控制引风机速度改造 由于锅炉是生产供应的关键要害设备，一旦发生问题，对生产的影响极大影响面也大， 为了进一步提高锅炉运行的稳定性和可靠性以及降低维修率、节约能源、保证生产需要；为 此，我们进行了分析和研究，把引风机控制部分进行改造，通过变频器控制 1 4 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 电机的频率，以达到变额控制电机速度，实现风机速度的无级调速，以匹配锅炉负荷， 从而达到提高锅炉稳定运行、降低维修率、节约能源、保证生产需要的目的。经比较后，选 用日本富士公司生产的“f r e n i c 5 0 0 0 p 1 1 s ”系列7 5 k w 变频器。 ( ) 、改造前工况为： 1 、 在同一速度下，风机转速不能改变( 电机转速恒为1 4 8 0 f r a i n ) ，锅炉负荷变化只能 靠机械风门调节引风量来匹配，误差比较大。 2 、 引风量靠机械风门调节，机械风门受到高速风的冲击，引起振动，导致整体风机系 统的振动过大，影响轴承寿命；同时，由于启动转矩大，对过桥轴承的损伤比较大，造 成维修率增加。由于振动大，转速高，轴承端盖漏油严重，油耗增加。 ( 二) 、经变频改造后，获得了下列效果： 1 、采用变频器控制后，风门拆除，振动减小，基本消除了风机系统的振动问题，提高 了轴承的寿命；负荷变化配风调节准确，降低了维修率。 2 、风机实现软启动，实现无级变速，速度可无级调节，减小了原设计的启动冲击，机 械传动更加平稳，有效延长了机械寿命，过桥轴承的寿命平均提高一倍以上，节约了维 1 5 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 修费。由于解决了风机系统的振动大问题。转速可由在原较高的固定转速下降到较低转 速下进行，极大的减小了轴承端盖的漏油，降低了耗油量。 3 、采用变频器后，由于变频器的连锁保护功能比原交流接触器的更加灵敏可靠，大大 提高了锅炉运行的安全性。 一4 、节能效果( 电流减小) 非常明显。 锅炉引风机变频控制改造为，在引风机主电机的控制电路上增设一台变频器，原操作、 控制方式不变。改造前控制原理图如图3 4 。改进后电器部分控制原理图如图3 - 5 。 ( 三) 经济价值分析 1 、改造前年电能消耗费用为： 7 5 k w x 2 4 小时日3 0 天x 1 2 x o 4 元k f 2 5 9 2 0 0 元 2 、改造后电流降为原来的7 0 ，甚至更低，按照节约3 0 9 6 计算，年电能节约可达到 2 5 9 2 0 0 3 0 = 7 7 7 6 0 元。( 7 7 万余元) 3 、改造前年轴承清耗为8 套年，改造后年轴承消耗为6 套年。轴承的费用年节约为： 5 3 8 元套2 套= - 1 0 7 6 元 总之，变频器改造后，年节约达7 8 万多元，变频器当时的投入为6 万多元。仅年不 到就收回了投入。可以预见，变频技术将广泛的应用于工业生产中，能够实现节约，提高生 产效率，产生较好的经济效益，是一种很值得推广的技术。 1 6 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 3 2 3 变频控制鼓风机系统改造 我公司两台l o t h 循环流化床锅炉配用的长沙湘江风杌厂生产的型号为g 弘1 9 _ 1 1 d 的鼓 风机，产于1 9 9 7 年1 月，9 7 年7 月到我公司投入使用。鼓风枫是锅炉的一种专用设备，投入 使用后，由于电机转速高，不可调节，只能靠机械风门调节鼓风量，过桥轴承的磨损均比较 严重，机械风门受到高速风的冲击引起振动，导致整体风机系统的振动过大，造成影响生 j - ， 产和维修费用及维修工作的增加；我们对这些问题进行了分析研究并对鼓风机控制部分进行 了变频改造；以达到提高生产效率，降低维修率，节约能源，满足生产需要的目的。 一、变频控制鼓风机速度改造 由于锅炉是生产供应的关键要害设备，一旦发生问题，对生产的影响极大，影响面也大， 为了进一步提高锅炉运行的稳定性和可靠性以及降低维修率，节约能源、保证生产需要；为 此，我们进行了分析和研究，把鼓风机控制部分进行改造，通过变频器控制电机的频率，以达 到变频控制电机速度，实现风机速度的无级调速，以匹配锅炉负荷，从而达到提高锅炉稳定 运行、降低维修率、节约能源、保证生产需要的目的。 ( ) 、改造前工况为： 1 、 在同一速度下，鼓风机转速不能改变( 电机转速恒为2 9 0 0 r m i n ) ，锅炉负荷变 化只能靠机械风门调节鼓风量来匹配，误差比较大。 2 、 鼓风量靠机械风门调节，机械风门受到高速风的冲击，引起振动，导致整体风 1 7 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 机系统的振动过大，影响轴承寿命；同时，由于启动转矩大，对过桥轴承的损 伤比较大，造成维修率增加。由于振动大。转速高，轴承端盖漏油严重，油耗 增加。 ( 二) 、经变频改造后，获得了下列效果： 1 、采用变频器控制后，风门拆除，振动减小，基本消除了风机系统的振动问题， 提高了轴承的寿命；负荷变化配风调节准确，降低了维修率。 2 、 风机实现软启动，实现无级变速，速度可无级调节，减小了原设计的启动冲击， 机械传动更加平稳，有效延长了机械寿命。过桥轴承的寿命平均提高一倍以上， 节约了维修费。由于解决了风机系统的振动大问题，转速可由在原较高的固定 转速下降到较低转速下进行，极大的减小了轴承端盖的漏油降低了耗油量。 3 、采用变频器后，由于变频器的连锁保护功能比原交流接触器的更加灵敏可靠， 大大提高了锅炉运行的安全性。 4 、 节能效果( 电流减小) 非常明显。 锅炉鼓风机变频控制改造为，在鼓风机主电机的控制电路上增设一台变频器，原操 作、控制方式不变。改造前控制原理图如图3 - 6 。图3 7 为改进后电器部分控制原理图。 ( 三) 经济价值分析 1 、改造前年电能消耗费用为： 1 8 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 5 5 k s 2 4 小时日3 0 天x 1 2 o 4 元k w = - l 9 0 0 8 0 元 2 、改造后电流降为原来的7 0 ，甚至更低，按照节约3 0 计算，年电能节约可达到 1 9 0 0 8 0 x 3 0 = 5 7 0 2 4 元。( 5 7 万余元) 3 、改造前年轴承消耗为8 套年，改造后年轴承消耗为6 套年，轴承的费用年节约为： 5 3 8 元套x 2 套= - 1 0 7 6 元 总之，变频器改造后，年节约达5 8 万多元，变频器当时的投入为6 万多元，仅一年多就 可收回投入。通过对锅炉鼓风机的问题的分析、研究及改造，解决了一些影响生产的因素， 节约了能源，提高了工作效率，提高了锅炉运行的稳定性，改善了生产条件，使我们的设备 焕发出了新的活力，为公司节约了资金，达到了技术改造的目的，取得了预期的效果。在改 造后，一直运行良好，使维修率大为下降，达到了预期的改造效果。可以预见。变频技术将 广泛的应用于工业生产中，能够实现节约，提高生产效率，产生较好的经济效益，是一种很 值得推广的技术。 3 2 4 锅炉燃烧自动控制系统的理论分析 1 、过程控剜( p i d ) 技术 燃煤锅炉房监控系统的重点、难点是实现锅炉燃烧自动控制，在工艺条件满足的情况下， 实现这个过程控制的关键技术是p i d 技术，送风变频自动调节、负压控制等过程控制都采用 了p i d ( p ：比例增益；l 积分；d ：微分) 调节技术进行参数整定，目的是按照已定的控制 回路。求取过程的最优参数，使调节器的参数能够适应控制对象的性能，在扰动出现后，能 使被控参数较快的稳定下来，采用p i d 调节器的数学方程如下式： y = k e ( e + l t 1j e d t + t m e d t ) 式中：卜调节器的输入信号； e 输入信号，即被调参数( 测量值) 与给定值的差值； t 1 一积分时问； t - 敏分时间； i ( r 调节器放大倍数； 当有一个阶跃偏差信号输入时，p i d 调节器的输出信号等于比例、积分、微分作用三部 分输出之和。如图3 8 所示；在输入阶跃信号后，微分作用和比例作用同时发生。p i d 调节器 1 9 塞型盔堂三矍堡主兰壁垒塞 ! 奎堡塾望塑璺箜燮查! l 的输出y 突然发生大幄度变化，产生一个较强的调节作用，然后逐渐向比例作用下降；接着 又随时间上升。这是积分作用，直到偏差完全消失为止。 一般，p ( 比例增益) 、i ( 积分时间) 、d ( 微分时间) 不单独使用常使用p 控制、p i 控制和p i d 控制等组合控制方式。 ( 1 ) p 动作：操作量( 输出频率) 和偏差量之间有比例关系的动作，称为p 动作。因 此，p 动作即是输出和偏差成比例的操作量。- ( 2 ) p ( 比例增益) ：是决定p 动作对偏差响应程度的参数。增益取大时，响应快，但 过大将产生震荡。增益取小时，响应迟后。 贵州大学工程硕士学位论文 3 变频改造的总体技术方案 ( 3 ) i 动作：操作量( 输出频率) 的变化速度和偏差成比例关系的动作，称为i 动作。 因此，i 动作即是输出按偏差积分的操作量。由此，能达到使控制量( 反馈量) 和目标值( 设定频率) 一致的效果。可是，对变化急剧的偏差，响应变差。 ( 4 ) 积分时间：用积分时间参数i 决定i 动作效