賀云華

（海寧綠色動(dòng)力再生能源有限公司，浙江嘉興314400）

1 引言

目前，城鄉(xiāng)生活垃圾正呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，垃圾焚燒發(fā)電廠正肩負(fù)著對(duì)其進(jìn)行減量化，無(wú)害化處理的這一歷史重任。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，母管制給水系統(tǒng)是當(dāng)前鍋爐汽包給水的主流形式，其給水泵多為工頻定速運(yùn)行。鍋爐汽包水位依靠給水調(diào)節(jié)閥調(diào)整，將給水母管壓力、流量控制在合理范圍。為保證給水母管壓力和流量的穩(wěn)定，操作人員要定時(shí)觀察壓力和流量參數(shù)，根據(jù)汽包水位的變化手動(dòng)調(diào)節(jié)給水調(diào)節(jié)閥閥門(mén)的開(kāi)度，這種手動(dòng)控制方式使給水泵起停頻繁，給水母管壓力變化大，造成給水泵和出口閥損耗加大。特別是電動(dòng)機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)，過(guò)大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)和水泵造成極大的沖擊，使設(shè)備故障率升高，維修頻率增加，陡然提高了生產(chǎn)成本。

2 鍋爐給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的原理與缺陷

2.1 鍋爐給水系統(tǒng)的原理

某綠色動(dòng)力再生能源有限公司作為城鄉(xiāng)生活垃圾焚燒發(fā)電的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，于2009年投產(chǎn)運(yùn)行。在工程設(shè)計(jì)上，該垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐給水系統(tǒng)采用母管制的運(yùn)行方式，由3臺(tái)110kW的給水泵控制，二用一備，工頻運(yùn)行。通過(guò)給水再循環(huán)控制給水母管壓力、鍋爐給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)鍋爐給水流量，負(fù)責(zé)將除氧器里面的除鹽水輸送到鍋爐汽包，用于鍋爐產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，從而推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。鍋爐給水系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 2臺(tái)鍋爐給水系統(tǒng)原理圖

2.2 鍋爐給水系統(tǒng)在生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問(wèn)題

垃圾焚燒發(fā)電廠生產(chǎn)工藝與常規(guī)燃煤發(fā)電廠有較大區(qū)別，由于鍋爐燃料是生活垃圾，燃料成分性質(zhì)不穩(wěn)定，造成燃燒工況和鍋爐負(fù)荷起伏較大，與此同時(shí)帶來(lái)了鍋爐汽包給水需求量的變化，從而使鍋爐給水調(diào)節(jié)閥的操作更加頻繁。這種手動(dòng)控制方式原始而且效率低下，使給水泵和調(diào)節(jié)閥損耗加大，廠用電率升高，生產(chǎn)成本居高不下。

母管制給水系統(tǒng)運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，有利于集中控制運(yùn)行，缺點(diǎn)是損耗較大，控制繁瑣。由于2臺(tái)鍋爐分別由2套DCS系統(tǒng)控制，各自的電動(dòng)閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)各自汽包的給水流量，因此在運(yùn)行中，閥門(mén)開(kāi)度的大小會(huì)造成給水母管壓力的起伏波動(dòng)，不僅浪費(fèi)電能，而且較高的水壓還會(huì)損壞管道、水泵葉輪和閥門(mén)等設(shè)備。日常為了滿負(fù)荷生產(chǎn)運(yùn)行的需要，二臺(tái)給水泵時(shí)常會(huì)因?yàn)樨?fù)荷過(guò)大造成過(guò)電流跳閘的事故，需要降低發(fā)電負(fù)荷維持生產(chǎn)運(yùn)行，這樣就降低了企業(yè)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)垃圾焚燒量和上網(wǎng)發(fā)電量，嚴(yán)重制約了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 變頻器＋PLC控制技術(shù)的運(yùn)行原理

3.1 變頻器＋PLC控制的鍋爐給水系統(tǒng)原理

為了使鍋爐給水系統(tǒng)做到既節(jié)能降耗、控制簡(jiǎn)便又安全可靠、投資經(jīng)濟(jì)，提出了用1臺(tái)變頻器拖動(dòng)3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的方案。本方案在充分利用了鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了變頻器、PIC、控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、各類(lèi)遠(yuǎn)傳壓力和流量傳感器等相關(guān)電氣控制部件組成一套全自動(dòng)閉環(huán)控制的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)。母管制給水系統(tǒng)由原來(lái)的給水泵定速變壓運(yùn)行改為變速恒壓運(yùn)行，即鍋爐蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差的控制方案。對(duì)3臺(tái)給水泵采用PIC作為核心控制器件，運(yùn)用變頻器調(diào)節(jié)給水壓力和流量，這是一次全新的技術(shù)革新。鍋爐給水控制系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

圖2 鍋爐給水控制系統(tǒng)原理圖

通過(guò)給水原理圖得知，要實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)鍋爐汽包液位的分別控制，最理想的方案是使每臺(tái)鍋爐都有自己獨(dú)立的給水系統(tǒng)，即給水泵由變頻器進(jìn)行一對(duì)一控制，由l臺(tái)變頻器單獨(dú)控制l臺(tái)鍋爐的給水。但是這種方案改動(dòng)幅度大、投資成本高，而且需要停產(chǎn)改造。因此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套用于2臺(tái)鍋爐給水系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的控制方案，即蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。

目前2臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)由同一根母管給水，但是蒸汽用量和鍋爐燃燒情況的不穩(wěn)定，仍然使得蒸汽壓力時(shí)刻變化。根據(jù)鍋爐運(yùn)行原理，為了保證鍋爐汽包的供水，給水的壓力必須高于蒸汽壓力。由圖2可知，PLC采集到蒸汽壓力和母管給水壓力后，經(jīng)處理和比較，得到二者的差值，再將此差值經(jīng)PID運(yùn)算處理后，輸出4mA－20mA的模擬信號(hào)給控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置將信號(hào)進(jìn)行A／D或D／A轉(zhuǎn)換，然后傳輸給變頻器，從而控制給水泵的運(yùn)行速度，進(jìn)而改變鍋爐給水壓力和給水流量。

3.2 變頻器控制系統(tǒng)

變頻器采用ACS550型，它具有矢量控制功能、內(nèi)置EMC濾波器和Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線接口，它適用于各種變速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，具有IGBT技術(shù)和完善的保護(hù)功能、較強(qiáng)的過(guò)載能力。變頻器有兩路可編程的隔離數(shù)字輸入、輸出接口以及模擬輸入、輸出接口，且安裝接線方便、配置靈活多樣、控制簡(jiǎn)便、易于操作維護(hù)。

由公式n＝60f／P得知，三相異步電機(jī)用變頻器調(diào)速中變頻泵轉(zhuǎn)速與頻率成正比的關(guān)系。當(dāng)?shù)陀陬~定轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)具有恒扭矩特性，就是輸出扭矩保持不變。高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)具有恒功率特性，輸出功率保持不變。

變頻泵的壓力－流量特性如圖3所示，泵的上限特性曲線也稱(chēng)為最小流量曲線，它表示給水泵在不同轉(zhuǎn)速下必須滿足的最小流量，低于這個(gè)流量，不但運(yùn)行效率低，而且還會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。泵的下限特性曲線，也稱(chēng)為最大流量曲線，它表示給水泵在不同轉(zhuǎn)速下允許的最大流量，大于這個(gè)流量，泵的工作效率降低，部分給水將發(fā)生汽化，也會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。因此采用變頻泵的給水控制系統(tǒng)，在控制給水流量的過(guò)程中必須保證變頻泵平時(shí)工作在上限特性和下限特性之間，保證泵的工作點(diǎn)始終在泵的安全經(jīng)濟(jì)工作區(qū)內(nèi)。

圖3 變頻泵的壓力－流量特性

通過(guò)研究分析了變頻器控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理后，得出了變頻器的電氣傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于鍋爐各自汽包的液位無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速去控制，仍然是利用鍋爐原有的給水控制裝置，由DCS系統(tǒng)控制系統(tǒng)采集到的各汽包液位、蒸汽壓力、給水壓力和給水流量等信號(hào)手動(dòng)去調(diào)整進(jìn)水電動(dòng)閥的開(kāi)度，從而控制每臺(tái)鍋爐汽包液位和進(jìn)水流量。運(yùn)行人員要進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整比較困難。

3.3 PLC 控制系統(tǒng)

針對(duì)系統(tǒng)存在的這一技術(shù)缺陷，單獨(dú)增加了一套PLC控制系統(tǒng)和變頻器一起使用，根據(jù)給水泵的出口壓力，利用壓力傳感器和調(diào)節(jié)器構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，使3臺(tái)給水泵的出口壓力、流量自動(dòng)化控制，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包液位的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。

PIC是本系統(tǒng)的核心控制器件，采用S7－200型，用于對(duì)液位信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算控制。S7－200型具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和應(yīng)用靈活的特點(diǎn)。它不僅能辨識(shí)、處理各種運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)間的邏輯運(yùn)算和聯(lián)鎖保護(hù)，而且還對(duì)輸入的多個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算，然后輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)控制變頻器運(yùn)行。PIC對(duì)液位信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算的原理圖如圖4所示。

圖4 PLC對(duì)液位信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算的原理圖

在該控制過(guò)程中，PID過(guò)程參數(shù)的整定最為關(guān)鍵。在工業(yè)鍋爐運(yùn)行中，用汽量和蒸汽壓力決定了給水流量和給水壓力，因此為保證系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行，在調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行反復(fù)多次調(diào)整P1D參數(shù)，直至出現(xiàn)最佳控制過(guò)程。PID運(yùn)算程序框圖如圖5所示。

在核心控制器件S7－200型PLC控制裝置的驅(qū)使下，變頻泵根據(jù)鍋爐燃燒工況和汽包水位的高低，靈活調(diào)節(jié)給水壓力和流量，母管制給水系統(tǒng)改為變速恒壓運(yùn)行，不僅實(shí)現(xiàn)了蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制，而且滿足了鍋爐汽包液位的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，達(dá)到了理論上預(yù)期的效果。

本方案還充分考慮了鍋爐給水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，一旦變頻器故障，系統(tǒng)即可自動(dòng)由變頻運(yùn)行狀態(tài)切換至原有工頻運(yùn)行狀態(tài)，變頻器故障解除后，仍可方便地手動(dòng)切換為變頻運(yùn)行，從而有效保障了鍋爐的正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，變頻器與PLC技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在技術(shù)上取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)了資源共享，對(duì)企業(yè)節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)穩(wěn)定性發(fā)揮了巨大的作用。變頻器＋PLC控制方式使電動(dòng)機(jī)真正實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停止，改善了熱力系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行條件，從而減輕了因節(jié)流調(diào)節(jié)對(duì)鍋爐給水系統(tǒng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)了鍋爐給水的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，保障了機(jī)組的安全運(yùn)行，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。