CF20變頻器在大功率鍋爐恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用＊

單乃軍，吳艷萍

（1.中國聯(lián)合工程公司，浙江杭州 310001；2.杭州華光電氣有限公司，浙江杭州 310001）

0 引言

給水設(shè)備是鍋爐房的關(guān)鍵設(shè)備，鍋爐運行時，必須由給水設(shè)備連續(xù)或間斷地向鍋爐供水，使鍋爐在正常水位范圍內(nèi)安全運行。對于大部分鍋爐給水泵供水系統(tǒng)來說，供水量會隨著鍋爐的運行情況而有所變化，供水情況為有時連續(xù)有時間斷，使鍋爐在正常水位范圍內(nèi)安全運行。為了保證管網(wǎng)壓力恒定，一般操作人員要定時觀察泵的出口壓力，根據(jù)水量的需求變化調(diào)節(jié)出口閥的開度以控制出口壓力。這種控制方式操作頻繁，使泵出口閥和支路調(diào)節(jié)閥門存在較大壓損，特別是電機以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，效率低、能耗大。此外，其水泵電機啟動電流大，尤其是過大的啟動轉(zhuǎn)矩對電機及其傳動機械產(chǎn)生巨大的沖擊，使泵和電機故障率高，檢修頻繁，增加了設(shè)備的維修成本。

根據(jù)鍋爐給水泵的以上運行特點，可采用CF20系列變頻器對鍋爐給水泵系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)供水系統(tǒng)的恒壓自動調(diào)節(jié)，達到管網(wǎng)壓力基本穩(wěn)定，使鍋爐正常運行。這樣既省去了操作人員的繁瑣操作，又可通過變頻器的控制來達到節(jié)能的目的。

本文以某合成材料廠鍋爐給水系統(tǒng)為例，闡述一套大功率鍋爐給水泵的恒壓供水控制系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)控制方案

該恒壓供水系統(tǒng)由3臺供水泵組成，采用華光CF20系列變頻器160kW 1臺，華光ICM2軟起動器160kW 1臺，與西門子PLC模塊來完成對此系統(tǒng)的恒壓供水控制。三泵循環(huán)主回路原理圖如圖1所示。使用華光變頻器不僅很好地保護了水泵和電機，也很好地節(jié)約了能源。另外變頻器具有軟起動功能，并能夠根據(jù)負載變化情況自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而避免了電機在起動過程中對電網(wǎng)的沖擊和對機械設(shè)備的沖擊，另外也簡化了人工調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速操作的工作量。

變頻器恒壓供水系統(tǒng)，采用出口管道所采集的壓力信號作為控制目標，通過比較和計算壓力預(yù)先設(shè)定值與采集的壓力信號值，利用PLC模塊調(diào)節(jié)輸出控制出口管道的壓力，從而達到恒壓供水的目的。由圖1可見，系統(tǒng)中1臺通過變頻轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇的電機水泵變頻運行，1臺通過工頻轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇的電機水泵工頻運行，還有1臺作為備用泵。

圖1 三泵循環(huán)主回路原理圖Fig.1 Principle of three－pump main circuit

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由西門子PLC模塊、華光變頻器、華光軟起動器、壓力變送器、低壓電器設(shè)備、動力控制線路、系統(tǒng)安裝柜（雙面操作）以及3臺電機水泵等組成。用戶可以通過PLC內(nèi)置的PID模塊來進行需求壓力值的設(shè)定，另外可以通過控制柜面板上的電流表、電壓表、控制按鈕、狀態(tài)指示燈以及選擇開關(guān)來監(jiān)視和控制此變頻恒壓供水系統(tǒng)的運行狀態(tài)。PLC模塊采集各開關(guān)狀態(tài)信號、接觸器狀態(tài)信號以及啟?？刂菩盘枴⑦x擇狀態(tài)信號后進行控制動作的判斷輸出，PLC回路的控制原理圖如圖2所示。

變頻器輸出頻率的確定。首先，通過安裝在出口管道上的壓力變送器，將采集到的出口壓力信號（DC 4～20mA的模擬量信號）接入PLC模塊，然后經(jīng)過PID運算，將壓力設(shè)定值與壓力反饋值進行比較計算后，PLC輸出一個模擬量作為變頻器的頻率給定值，由變頻器控制電機水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出口管道上的供水壓力，達到恒壓供水的目的，同時也實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)控制。PID系統(tǒng)控制原理圖如圖3所示。

圖2 三泵循環(huán)PLC回路控制原理圖Fig.2 Control principle of three－circulation－pump PLC loop

圖3 PID系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Control principle of PID system

圖3a為恒壓供水系統(tǒng)PID控制原理圖，圖3b為具體的設(shè)備接線圖。當系統(tǒng)檢測到壓力設(shè)定值大于壓力變送器采集的壓力實際值時，將通過增加PLC模擬量輸出值來增加變頻器的輸出頻率，從而使水泵電機加速運行；當系統(tǒng)檢測到壓力設(shè)定值小于壓力變送器采集的壓力實際值時，將通過減小PLC模擬量輸出值來降低變頻器的輸出頻率，從而使水泵電機減速運行，達到供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定的目的。

自動方式下，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇要變頻、工頻運行的電機（此處工頻、變頻不能選擇同一電機，否則系統(tǒng)會報錯誤，無法運行）。按下自動啟動按鈕，首先啟動工頻電機：合上相應(yīng)電機的軟起動輸出接觸器，然后啟動軟起動器，待啟動完成，合上相應(yīng)的旁路接觸器。經(jīng)過一定時間后，斷開軟起動輸出接觸器，工頻電機啟動完成；然后合上變頻電機的輸出接觸器，啟動變頻器，此時開始PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)PLC的模擬量輸出值來調(diào)節(jié)變頻器頻率，使其達到并穩(wěn)定在設(shè)定壓力值。當PLC的模擬量輸出值達到最大且管網(wǎng)壓力仍處于壓力下限狀態(tài)時，系統(tǒng)發(fā)出報警；當PLC的模擬量輸出值達到最小且管網(wǎng)壓力仍處于壓力上限狀態(tài)時（這里變頻器需要設(shè)置一個最低輸出頻率下限的參數(shù)，一般取15～20Hz，這樣做是為了避免電機在低頻狀態(tài)下可能的失速現(xiàn)象和電機長時間低頻運行產(chǎn)生的溫升問題），系統(tǒng)發(fā)出報警。

2 控制功能和工作原理

2.1 手動工頻方式

如圖2所示，系統(tǒng)設(shè)計了手動工頻的操作方式，將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“手動”檔位，操作人員可以根據(jù)需要自己決定起動或停止任意一臺泵的運行。由于在該操作方式下變頻器等均不參加控制，因此，從技術(shù)角度上來說，該方式無法保障出水管網(wǎng)壓力值的恒定，所以必須有人監(jiān)守。該方式主要供變頻器、壓力變送器等設(shè)備故障檢修時使用。

2.2 變頻自動方式

將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“X號電機變頻”檔位，按下自動起動按鈕，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換開關(guān)所選擇的泵作為變頻運行泵，進入自動運行。

（1）當變頻器出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)將采用工頻驅(qū)動方式控制泵的運行與停止，來保證供水的壓力在一定的范圍內(nèi)，但系統(tǒng)無法達到壓力值的恒定，同時發(fā)出報警指示，通知操作人員進行處理。

（2）當無水接點信號來臨時，PLC將關(guān)斷所有變頻和工頻輸出，直到無水接點信號消失，PLC將自動恢復(fù)控制輸出。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

本系統(tǒng)的優(yōu)勢可以歸納為以下幾個方面。

（1）系統(tǒng)投資成本降低。由于采用“一拖多”的控制方式，與“一控一”方式相比較，硬件的投資成本降低。

（2）系統(tǒng)構(gòu)造簡單、維護方便。系統(tǒng)由功能獨立的各控制設(shè)備構(gòu)成，如變頻器、軟起動器設(shè)備具有顯示面板，故障顯示直觀，方便日常維護、保養(yǎng)以及檢修。

（3）自動化程度高。系統(tǒng)無需人工控制，在參數(shù)設(shè)定好后系統(tǒng)可自動控制調(diào)節(jié)出水管網(wǎng)壓力，自動控制，減少了人工的繁瑣控制，同時也減少了系統(tǒng)停機斷水現(xiàn)象。

（4）解決了大電機工頻切換的電流沖擊問題。由于工頻直接啟動時的啟動電流一般很大，容易造成在工頻啟動時的電流沖擊現(xiàn)象。為避免這一現(xiàn)象，系統(tǒng)采用通過軟起動器驅(qū)動各個需工頻運轉(zhuǎn)的電機的方案，來解決多泵大電流沖擊問題。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)使用華光CF20變頻器以及ICM2軟起動器以后，大大降低了電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊和對電網(wǎng)中其他設(shè)備的影響，同時延長了電機及其他機械設(shè)備的使用壽命，也減輕了對管道的沖擊，從而降低了系統(tǒng)設(shè)備的機械維護成本。通過變頻恒壓控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)控制，減少了人工維護控制成本，同時又達到了很好的節(jié)能效果，得到了用戶的好評。

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