變頻器應用于鍋爐控制系統上

鍋爐是全廠重要的動力設備，其任務是供給合格穩定的蒸汽，以滿足負荷的需要。為此，鍋爐生產過程的各個主要參數都必須嚴格控制。鍋爐設備是一個復雜的控制對象，主要輸入變量是負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風量。主要輸出變量包括汽包水位、過熱蒸汽溫度及壓力、煙氣氧量和爐膛負壓等。因此鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關聯的復雜控制對象。

二、改造要求

1、拆除鍋爐主控制室的原有兩臺低配置的工控機和附屬板卡，采用變頻設備及PLC和相關軟件，組成PLC的監控系統，實現對兩臺35噸鍋爐運行狀態、各項參數的監視和汽包水位的自動控制。

2、本次改造在控制方面暫止要求實現汽包水位自動控制，但要求在PLC預留鍋爐自動燃燒控制的全套程序，以利于在條件成熟時實現自動燃燒控制。

3、系統模式為：PLC可編程控制器。

三、系統配置

可編程控制器PLC

采用德國西門子的S7-300系列可編程控制器內置PID模塊，32K存儲器，I/O能擴展到2048點

文本操作面板

變頻設備系統

四、控制方案設計

◆鍋爐汽包水位控制系統

汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數，水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結垢和影響蒸汽質量。水位過低，則會破壞水循環，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成干鍋，損壞汽包。所以其值過高過低都可能造成重大事故。它的被調量是汽包水位，而調節量則是給水流量，通過對給水流量的調節,使汽包內部的物料達到動態平衡，變化在允許范圍之內，由于鍋爐汽包水位對蒸氣流量和給水流量變化的響應呈積極特性。但是在負荷（蒸氣流量）急劇增加時，表現卻為"逆響應特性"，即所謂的"虛假水位"，造成這一原因是由于負荷增加時，導致汽包壓力下降，使汽包內水的沸點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統，實質上是維持鍋爐進出水量平衡的系統。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過調整進水量的多少來達到進出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發效率，保證生產安全。由于鍋爐水位系統是一個設有自平衡能力的被控對象，運行中存在虛假水位現象，實際應用中可根據情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙重量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統。

控制目標值：（汽包水位均勻量為：±220，水位控制在中間值，偏差≤±10）

1、在操作界面上利用文本實現對水泵啟停的控制。

2、在儀表盤上使用原有的變頻設備系統對水泵進行手動/自動調節控制。

系統給水自動調節分為三種模式：

●單水位控制模式：只通過檢測汽包水位來控制給水量。

●雙沖量水位控制模式：監測汽包水位、蒸汽流量，將蒸汽流量作為前饋信號，與汽包水位組成前饋—反饋控制方式。

●三沖量水位控制模式：監測汽包水位、蒸汽流量、給水流量，將汽包水位作為主控編練個，給水流量作為輔助被控變量的串級控制系統與蒸汽流量作為前饋信號組成前饋—串級反饋控制方式。

三沖量水位控制實現方式：

1）在異常情況下，如液位偏離正常值較大時，采用規則控制，可以快速恢復水位，保證鍋爐的安全穩定運行。

2）當水位控制和主蒸汽溫度控制發生矛盾時，可根據矛盾的主要方面進行兩者的協調控制。

3）它包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個控制回路，實質上是蒸汽流量前饋與水位－流量串級系統組成的復合控制系統。當蒸汽流量變化時，鍋爐汽包水位控制系統中的給水流量控制回路可迅速改變進水量以完成粗調，然后再由汽包水位調節器完成水位的細調。

◆鍋爐燃燒過程控制系統

鍋爐燃燒過程有三個任務：給煤控制，給風控制，爐膛負壓控制。保持煤氣與空氣比例使空氣過剩系數在1.08左右、燃燒過程的經濟性、維持爐膛負壓，所以鍋爐燃燒過程的自動調節是一個復雜的問題。對于35t鍋爐來說燃燒放散高爐煤氣，要求是最大限度地利用放散的高爐煤氣，故可按鍋爐的最大出力運行，對蒸汽壓力不做嚴格要求；燃燒的經濟性也不做較高的要求。這樣鍋爐燃燒過程的自動調節簡化為爐膛負壓為主參數的定煤氣流量調節。

爐膛負壓Pf的大小受引風量、鼓風量與煤氣量（壓力）三者的影響。爐膛負壓太小，爐膛向外噴火和外泄漏高爐煤氣，危及設備與運行人員的安全。負壓太大，爐膛漏風量增加，排煙損失增加，引風機電耗增加。根據多年的人工手動調節摸索，35t鍋爐的Pf=100Pa來進行設計。調節方法是初始狀態先由人工調節空氣與煤氣比例，達到理想的燃燒狀態，在引風機全開時達到爐膛負壓100Pa，投入自動后，只調節煤氣蝶閥，使壓力波動下的高爐煤氣流量趨于初始狀態的煤氣流量，來保持燃燒中高爐煤氣與空氣比例達到最佳狀態。保因此，鍋爐燃燒過程自動控制系統按照控制任務的不同可分為三個子控制系統，即蒸汽壓力控制系統、煙氣氧量控制系統和爐膛負壓控制系統。

◆過熱蒸汽溫度控制系統

過熱蒸汽的溫度是鍋爐生產過程的重要參數，一般由鍋爐和汽輪機生產的工藝確定。從安全生產和經濟技術指標上看，必須控制過熱蒸汽溫度在允許范圍之內。在35T鍋爐計算機控制系統中，過熱蒸汽溫度控制系統設計。調節手段是改變減溫水流量。從結構上看，這是一個簡單的單回路控制系統，但是實際系統存在以下問題：鍋爐的進水系統中實際有三臺調節閥，即鍋爐總給水閥（V1）、減溫水閥（V2）和汽包給水支閥（V3）。因為這3個閥都控制給水量，將會通過圖中進水交點處壓力P的變化而產生關聯作用。

◆除氧器控制系統

除氧器控制系統包括除氧器壓力和液位兩個控制子系統。在35T鍋爐計算機控制系統中，除氧器壓力控制系統和除氧器液位控制系統都設計為單回路PI控制方式。在滿足鍋爐生產的實際要求的前提下，單回路PI控制方式具有結構簡單、容易整定和實現等優點。

對于除氧器壓力系統而言，當除氧器壓力發生變化時，壓力控制系統調節除氧器的進汽閥，改變除氧器的進汽量，從而將除氧器的壓力控制在目標值上；同樣，對于除氧器液位系統，當除氧器液位發生變化時，液位控制系統調節除氧器的進水閥，改變除氧器的進水量，從而將除氧器的液位控制在目標值上。