锅炉变频供水自动控制系统的设计及实现.doc

锅炉变频供水自动控制系统的设计及实现（郑州轻工业学院 电气信息工程学院，郑州市东风路5号450002）摘要: 介绍了蒸汽锅炉水位变频控制的一种实现方案, 系统通过检测供水管道出口压力与锅炉汽包压力及汽包上下限水位, 采用PLC 及自带PID 调节功能的变频器实现系统变频供水及联锁控制, 从而达到保证锅炉供水安全、节能降耗及保护设备的目的。关键词: 锅炉供水；变频调速；PLCDesign and Application of the Automatic Control System for Boiler FeedingWater Using Frequency ConversionMethod (College of Electrical and Electronic Engineering, Zhengzhou University of Light Industry,5 Dongfeng Road, Zhengzhou, 450002, China)Abstract: Design and Application of the automatic contro l system for boiler feeding w ater using frequency conversion method w as described in this paper, by mon itoring the pressure of feeding water, bo ilerw ater leve.l It rea lizes PID frequency conversion con tro l for feedingw aterw ith PLC; the new system has advantages of stab ility, low cost and economy.Key words: Bo iler feeding w ater; Frequency contro;l PLC前言小型蒸汽锅炉的供水方式大都是采用电接点液位控制，系统用汽包上电接点的状态来感知锅炉的水位高低，控制水泵起停，采用这种方式；水泵的启动频繁，并且易造成水泵及电机损坏，同时使管道承压增大，浪费能源，所以采用变频技术，用变频连续供水方式减少水泵的启动，降低管道的压力冲击，是非常必要的。文中介绍一种低成本的型锅炉变频连续供水自动控制系统，由于采用了PLC，从而使系统的实现简洁、可靠。1 系统的设计原理及硬件结构基于蒸汽锅炉的安全性要求，本系统采用两套(一套备用)锅炉水泵装置(也可使用一套水泵装置)，一套电极式液位控制器及水泵装置, 一套光柱数显式液位控制器, 另外在供水管道出口处安装一只带压力指示的水压开关, 用于判断水泵是否运行正常, 并采用变频调速技术控制水泵电机，实现变频供水。供水系统结构如图1所示。图1 锅炉供水系统结构图1.1 差压检测与变频供水为实现系统在正常情况下变频供水, 首先将供水管道出口压力Pc (通常最大为2. 5MPa) 及锅炉汽包压力Pg 送入一台测量范围在00. 5MPa的差压变送器P1, 将两者的差压值( Pc Pg) 转换为4mA20mA 信号, 送入变频器中, 作为变频供水的反馈信号, 实现基于PID 控制的变频供水系统, 如图2 所示。图2 P-1和F-1特性曲线首先换算出设定水位下的差压值Ps, 然后根据差压变送器的P- I特性曲线, 求得对应的输出电流Is= 20 Ps/0. 5MPa (式中部20为最大电流值, 0. 5最大差压值) , 从中又从变频器的F-I特性曲线求得对应的频率Fs。如最大输出频器为50H z, 则Fs= 50 Is/20H z, 如图2所示。把Fs值作为变频器的设定频率, 启动变频器的PID模式, 并对P, I, D 参数进行整定, 输出控制水泵装置实现变频供水, 如图3 所示。P、I、D 参数设定如下:图3 变频恒压供水原理图P增益设定, 系统在不发生振荡条件下可增大其值。I积分时间设定, 系统在不发生振荡条件下可减小值。D微分时间设定, 系统在不发生振荡条件下可增大值。为加强系统的抗干扰能力及提高稳定性, 在反馈端加入一阶低通滤波器, 其时间常数T f可设定在0.060.0 s, 其中G( S) = Fo /Fe= P+ I/ST s+ ST sD 为传递函数。1.2 汽包水位检测锅炉供水中水位检测尤为重要,为安全起见,本系统保留电极式多点指示液位控制器,而且如上所述,另安装一台测量范围为06kPa的差压变送器,用于检测汽包水位( 0440mm )上下差压变化,输出420mA 电流,送入带光柱及数字显示的液位控制器,并由该控制器设定上限、上上限、下限、下下限4 个继电器输出点。通过将上述二套水位控制装置上下限水位输出点并联送入PLC,完成锅炉汽包水位检测。1. 3PLC与联锁控制本系统采用OMRON CPM 1A 230CDR PLC,取锅炉汽包水位的上下限节点、水泵开关、供水管道压力开关、手自动切换开关、变频器故障继电器触点作为PLC 输入端, PLC 根据检测到的输入信号来分别控制变频器、水泵、锅炉鼓风、各种信号指示及声光报警的输出, 以达到联锁控制的目的, 确保锅炉供水正常运行, PLC 联锁控制接线图如图4 所示。图4 PLC联锁控制结构原理图2 系统软件设计按照锅炉操作规程,每次开炉点火前必须把供水系统切换到手动位置。手控水泵并检测管道水压是否正常, 正常则上水到锅炉汽包水位指示的中间或以上位置。锅炉点火燃烧后,当蒸汽压力达到正常供汽时,方可选择供水自动,若置成自动位置,则供水系统通过PLC 首先判断汽包水位是否在上限与下限范围内, 若在此范围内则接通变频器控制水泵进入变频供水状态,并不断检测锅炉汽包水位。当水位到达上限时,则变频器停机,并继续检测水位,直到低于水位上限时,变频器重新起动去控制另一台水泵进行运行,以使水泵交替使用。如水位高于上上限时,输出报警,请求排水。如运行中检测到汽包水位低于水位下限时,则关变频器,转换水泵进入工频运行。当水位升至高于下限时,水泵在工频状态继续运行2min,然后转入变频调速控制的变频供水方式。如水泵工频运行水位仍继续下降并低于水位下下限时,PLC报警并控制锅炉停鼓风压火,直至高于水位下下限时, 才解除鼓风停机恢复正常工作,从而完成供水联锁控制。若上述供水系统切换到手动方式,也必须由PLC进行联锁控制,以保证供水正常,锅炉安全运行。3 运行效果分析给水泵出口压力比较:定速节流调整流量时,给水泵的特性曲线如图5中实线所示, uv为电动阀门在不同开度时管道的特性曲线,与曲线n =ne的交汇点为水泵在不同流量下的工作点。从图5中看出,如果阀门开度从30% 变化到100%时,给水泵流量从22t/h变化到40t/h,而给水泵出口压力在5.86.5MPa范围内变化很小。变频调整流量时给水泵的特性曲线见图5中虚线,电动阀门在全开时管道的特性曲线( uv=100%)与n=100% ne、n = 90% ne、n改造= 86%ne、n= 75% ne曲线的交汇点,为水泵在不同流量下的工作点。从图中看出,给水泵流量从22t/h变化到40 t/h,出口压力在3.84.6MPa范围内变化。图5 水泵特性曲线 通过比较看出:给水泵在相同的流量下,变频调节方式的出口压力要比定速节流调节方式减小2MPa,降低约30%,有效地减小了对水泵及阀门的磨损和损坏,节约了维修时间和费用。3.1 给水泵节能比较定速节流调节方式下,设满负荷给水流量为31t/h,给水管道阀门的开度为70%,给水泵电机的电流为190A,功率因数为0.89,电压为395V,给水泵电机实际输出功率约115 kW。变频调节方式下,满负给水流量为31t/h,给水泵转速为2560 r/min,给水泵电机的电流为140A,功率因数为0.89,电压为380V,变频器效率为96%,给水泵电机实际输出功率约85 kW。通过比较看出:在给水泵流量相同时,采用变频调节方式电机的输出功率要比采用节流调节方式减少30kW,节电率在26%以上,大约8个月即可收回改造费用,节电效果明显。给水泵变频改造后,不仅实现了流量自动调节,节约了能源,延长了水泵及阀门的寿命,而且改善了电机的启动过程，实现了电机的软启动,避免了较大启动电流对低压电网和电机主回路设备的冲击。4 结束语系统经调试投运后稳定可靠,在变频供水状态在变频供水状态下选择供水管道出口压力与锅炉汽包压力的差压值在0.10MPa0.35MPa之间较理想。运行结果表明,