李霍生

（山西省煤炭地質144 勘查院， 山西 洪洞 041600）

引言

為保證鍋爐供熱的穩(wěn)定性，降低供熱成本，需對其關鍵部件包括循環(huán)泵和補水泵的運行參數(shù)進行合理控制。從理論上看，基于計算機技術實現(xiàn)對鍋爐循環(huán)泵的PID 控制，對于確保循環(huán)泵處于最佳工作狀態(tài)，保證其運行和燃煤效率，同時改善現(xiàn)場作業(yè)人員的工作環(huán)境，實現(xiàn)自動化管理具有重要意義[1]。本文將重點基于PID 實現(xiàn)對鍋爐循環(huán)泵的智能化控制，最終達到節(jié)約能源、減少污染的目的。

1 鍋爐循環(huán)泵恒速控制現(xiàn)狀分析

目前，鍋爐循環(huán)泵主要采用恒定速度進行控制，在實際生產中主要控制路徑為通過對循環(huán)泵出水管路上調節(jié)閥的調節(jié)實現(xiàn)對鍋爐流量和壓力控制。經(jīng)過多年應用，采用上述恒速控制主要存在如下問題：

1）在實際生產中，需根據(jù)供暖參數(shù)不間斷地通過調節(jié)閥對流量和壓力進行控制，這便導致調節(jié)閥頻繁運轉，且調節(jié)閥經(jīng)常出現(xiàn)卡死、泄露流量甚至損害的情況，從而影響供暖效率和穩(wěn)定性。

2）循環(huán)泵在恒速條件下運行，不僅供熱效率低，還會造成能源浪費。同時，循環(huán)泵長期處于高速運轉狀態(tài)，加劇了循環(huán)泵零部件的磨損，從而降低鍋爐的整體使用壽命。

3）目前，循環(huán)泵主要通過人工根據(jù)操作人員的經(jīng)驗對調節(jié)閥進行控制，在整個控制過程中表現(xiàn)為控制的滯后性、不穩(wěn)定性以及低自動化水平[2]。

2 循環(huán)泵變頻調速系統(tǒng)設計

2.1 變頻器控制原理

變頻調速系統(tǒng)為實現(xiàn)循環(huán)泵智能控制的主要環(huán)節(jié)。所謂變頻調速指的是，系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需求對循環(huán)泵電機轉速/頻率進行控制，從而達到預期的控制效果。該控制方式最明顯的優(yōu)勢在于實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行，即當需要增加供暖流量時，循環(huán)泵電機轉速/頻率增加實現(xiàn)循環(huán)流量的增加；當需要減小供暖流量時，降低循環(huán)電機的轉速/頻率；同時，變頻調速控制方式還能夠有效解決系統(tǒng)在啟動階段對電機造成的沖擊問題[3]。

上述循環(huán)泵變頻控制的主要依據(jù)是用戶所需的熱量。當用戶所需熱量不足時，應通過變頻器增加流量的方式進行控制；當用戶所需熱量過剩時，應通過變頻器控制減小流量。

2.2 變頻器的選型

一般的，變頻器主要根據(jù)其結構進行分類包括交-交變頻器和交-直-交變頻器。目前，工業(yè)中常用的變頻器為交-直-交變頻器，其結構如圖1 所示。

圖1 交-直-交變頻器結構

如圖1 所示，交-直-交變頻器主要由整流器、逆變器、中間直流環(huán)節(jié)和控制電路組成。結合循環(huán)泵的實際工況包括負載類型、控制任務、電機額定功率及電流等原則對適用于循環(huán)泵的變頻器進行選型。

綜合對比目前市場上各型號變頻器，本工程最終確定選用型號為MM430 的變頻器。該型號變頻器可支持額定功率為7.5～250 kW 的電機運行，可實現(xiàn)對循環(huán)泵電機的分級控制、自動控制、手動控制等功能[4]。

3 循環(huán)泵智能控制功能的實現(xiàn)

3.1 循環(huán)泵智能控制原理

在傳統(tǒng)循環(huán)泵系統(tǒng)加入上述變頻器的基礎上，為實現(xiàn)對循環(huán)泵實時、自動化、精確控制，具體基于PLC控制器并結合模糊PID 控制算法進行控制，具體控制原理如圖2 所示。

如圖2 所示，基于PLC 和模糊PID 控制算法對循環(huán)泵流量控制的主要依據(jù)為管路內的供水溫度和回水溫度、室外溫度，上述三類溫度值均通過溫度變送器進行采集。具體控制原理如下：用戶室內溫度根據(jù)相關標準一般設定為20 ℃（即供水溫度一般為恒定值），根據(jù)室外的實時溫度值經(jīng)過查表得出最佳供回水溫度差；并結合所采集到回水管路的實時溫度對回收流量進行控制，以保證供回水溫度差滿足當前的室外溫度下的要求。

圖2 循環(huán)泵模糊PID 控制系統(tǒng)結構框圖

值得注意的是，由于供暖管路中存在一定的管路阻力，本工程中的變頻器需設定一個下限值，以保證循環(huán)泵的最低轉速保證管路阻力，從而有效避免鍋爐爆炸或者管路爆裂的事故發(fā)生。此外，根據(jù)循環(huán)泵的工況，設定變頻器的上限值為50 Hz。

3.2 模糊控制參數(shù)的確定

模糊控制算法應用于對循環(huán)泵控制的關鍵在于算法中的修正值。結合循環(huán)泵的工作情況和模糊PID控制算法的原理，設計如圖3 所示的流程對模糊PID算法中的修正值進行確定。

基于如圖3 所示的程序，最終確定模糊PID 算法中積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.03，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.174，比例積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.005 4。

圖3 模糊PID 算法修正程序流程

3.3 智能控制系統(tǒng)應用效果分析

將上述結合循環(huán)泵工況確定模糊PID 控制器中各個環(huán)節(jié)的因數(shù)應用于循環(huán)泵的智能控制中，經(jīng)實踐應用循環(huán)泵基于PID 和PLC 控制器實現(xiàn)的智能控制，其效應主要表現(xiàn)為：提升鍋爐的供熱效率，提高循環(huán)泵自動化控制水平，降低現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動強度；基于智能化控制后循環(huán)泵的耗能明顯減小，對循環(huán)泵零部件的損耗減小，間接節(jié)約了循環(huán)泵的運行成本[5]。

經(jīng)實踐表明，循環(huán)泵采用智能化控制與傳統(tǒng)采用恒速控制相比，每臺循環(huán)泵每天節(jié)約電能430 kWh，在供暖期的190 d 內共節(jié)約電能為8.1 萬kWh，電費按照0.5 元/kWh 計算，單臺循環(huán)泵在整個供暖期共節(jié)約費用約4 萬元。對于大型供熱公司，可節(jié)約將近百萬元的費用。

4 結語

循環(huán)泵作為燃煤供熱鍋爐的主要部件，傳統(tǒng)循環(huán)泵采用恒速控制，存在能耗大、零部件損耗大以及控制存在嚴重滯后性的問題。為進一步提升供熱效率，降低供熱成本，基于PLC 和模糊PID 控制算法實現(xiàn)對鍋爐循環(huán)泵的智能化控制。實踐表明，鍋爐循環(huán)泵采用智能化控制方式具有明顯的節(jié)能效果，每臺循環(huán)泵在供暖期內可節(jié)約電費4 萬元。