應(yīng)用變頻器對熱媒鍋爐煤氣恒壓供給系統(tǒng)的控制原理和實(shí)現(xiàn)方法概述

1　引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器在各行業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備拖動(dòng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)、連續(xù)調(diào)速和節(jié)能運(yùn)行目的。變頻器的低頻、低電流啟動(dòng)，使設(shè)備的機(jī)械沖擊力顯著降低，也避免了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的影響；實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的平滑調(diào)速功能；提高了設(shè)備的工藝性能，延長了使用壽命和實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。本文主要闡述應(yīng)用變頻器對熱媒鍋爐煤氣恒壓供給系統(tǒng)的控制原理和實(shí)現(xiàn)方法。

2　設(shè)備概況

煤氣恒壓供給是陽極成型熱媒鍋爐正常工作的重要因素之一。在實(shí)際中，由于煤氣生產(chǎn)設(shè)備的不穩(wěn)定性和用戶的隨機(jī)性，使煤氣供給系統(tǒng)的壓力波動(dòng)較大（0.6～5.1kpa之間），對鍋爐的穩(wěn)定燃燒影響很大：煤氣壓力太低，會(huì)引起鍋爐燃燒器熄火和熱值降低等問題，導(dǎo)致熱媒油溫度的提高或供熱不足，影響陽極質(zhì)量和產(chǎn)能；過高會(huì)造成鍋爐燃燒不充分，浪費(fèi)燃料。為保障預(yù)焙陽極碳塊成型正常生產(chǎn)，我廠一、二期成型熱媒鍋爐系統(tǒng)均設(shè)計(jì)了煤氣增壓裝置。原煤氣增壓風(fēng)機(jī)采用工頻電源供電的交流異步電機(jī)拖動(dòng)，擋板開度調(diào)節(jié)鍋爐煤氣流量，以實(shí)現(xiàn)鍋爐穩(wěn)定燃燒和溫度控制。其控制原理是：當(dāng)煤氣進(jìn)口管道內(nèi)壓力低于4.6kpa時(shí)，煤氣增壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)進(jìn)口煤氣壓力高于4.8kpa時(shí)，加壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)。這種增壓控制方式，雖能保證熱媒鍋爐所需煤氣供給，但風(fēng)機(jī)長期工作在高轉(zhuǎn)速（2924r/min）、低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)機(jī)體、傳動(dòng)軸支撐軸承座等部件振動(dòng)大（如附表所示），軸承磨損劇烈，其壽命很短。據(jù)維修統(tǒng)計(jì)，四套新軸承連續(xù)使用60～70天就得更換，風(fēng)機(jī)故障率高、維修頻繁、費(fèi)用高；風(fēng)機(jī)長期工作在低負(fù)載（或空載）狀態(tài)，電能浪費(fèi)大。故中國鋁業(yè)青海分公司2005年5月，對熱媒系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施了變頻器控制改造。實(shí)際證明，改造效果良好。

附表　煤氣加壓風(fēng)機(jī)工頻工作狀態(tài)下的有關(guān)參數(shù)

注： 1、a項(xiàng)為負(fù)載端軸承座的徑向振動(dòng)值；b項(xiàng)為風(fēng)機(jī)拖動(dòng)端軸承座振動(dòng)值。

2、風(fēng)機(jī)軸承座振動(dòng)超過13mm/s時(shí)，軸承溫度升高到75℃以上，就會(huì)引起軸承座震裂、軸承抱死和風(fēng)機(jī)葉輪出現(xiàn)裂紋等后果，故在日常點(diǎn)檢中，當(dāng)檢測到其振動(dòng)達(dá)到12mm/s時(shí)，就采取重點(diǎn)監(jiān)護(hù)運(yùn)行，并及時(shí)安排檢修工作。

3　變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過對國內(nèi)市場上多種變頻器性能和控制特點(diǎn)比較，并結(jié)合增壓風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn)和實(shí)際現(xiàn)狀，最終選擇了abb公司生產(chǎn)的cas800系列的變頻器。這種變頻器除具有其它變頻器的一般控制功能外，還具有pid控制、多信號輸入、睡眠功能、設(shè)定值修正等多種控制功能，能很方便地實(shí)現(xiàn)煤氣恒壓控制系統(tǒng)。

3.1　系統(tǒng)配置

（1）風(fēng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)參數(shù)：型號qu180 m2bg；功率22kw；額定轉(zhuǎn)2925r/min；額定電流42a；額定電壓380v。

（2）變頻器參數(shù)：cas800—30kva 380v。

3.2　控制原理

煤氣風(fēng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)構(gòu)由一臺(tái)22kw交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用acs800-30kva變頻器控制。風(fēng)機(jī)變頻器通過外部電位器設(shè)定值與煤氣進(jìn)口管道內(nèi)壓力實(shí)時(shí)測量值相比較，作為增壓變頻器調(diào)速初始給定信號，并通過pid調(diào)節(jié)功能修正后，作為實(shí)際頻率控制給定值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，達(dá)到恒壓控制的目的。其系統(tǒng)原理如圖1所示；其變頻器模擬信號接線如圖2所示。

變頻器pid控制功能，能很好地抑制煤氣供應(yīng)系統(tǒng)壓力波動(dòng)和風(fēng)機(jī)喘振引起的壓力抖動(dòng)現(xiàn)象，抑制對變頻器的擾動(dòng)問題。通過大積分時(shí)間常數(shù)設(shè)定，使煤氣壓力擾動(dòng)加入到系統(tǒng)的瞬間，積分不起作用，因積分調(diào)節(jié)作用是滯后的。調(diào)節(jié)器的滯后時(shí)間越大，調(diào)節(jié)速度越慢，這十分有利系統(tǒng)穩(wěn)定，滯后性有減小波動(dòng)，增加系統(tǒng)的抗干擾能力的作用。

3.3　睡眠功能參數(shù)設(shè)定

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)，煤氣壓力通常在夜間會(huì)升高（達(dá)到4.5kpa左右），會(huì)使電機(jī)工作在超低速狀態(tài)，為節(jié)約電能，對變頻器設(shè)置了睡眠功能控制。

恒壓控制系統(tǒng)的睡眠功能設(shè)置原理：當(dāng)煤氣供應(yīng)系統(tǒng)壓力達(dá)到4.5kpa以上（煤氣其它用戶消耗量減少，會(huì)使煤氣供給管網(wǎng)內(nèi)壓力增高）。這時(shí)為滿足鍋爐正常運(yùn)行的壓力要求，pid過程控制器就降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)不會(huì)停止，而保持低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于管路存在的自然壓力損耗和低速運(yùn)行時(shí)，離心風(fēng)機(jī)的低效率，變頻器設(shè)定的壓力值一般要求較高于實(shí)際所需壓力值。當(dāng)睡眠功能檢測到這種低速情況時(shí)，經(jīng)睡眠延時(shí)后，將停止這種超低速運(yùn)轉(zhuǎn)。在控制系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式后，變頻器仍然處在監(jiān)視煤氣壓力狀態(tài)。當(dāng)壓力低于最小允許值以下時(shí)，并經(jīng)喚醒延時(shí)后，則重新啟動(dòng)風(fēng)機(jī)工作。其睡眠控制邏輯關(guān)系如圖3所示。

在圖3中，其有關(guān)參數(shù)設(shè)定要求及實(shí)際設(shè)定值如下：

（1）40.21—睡眠設(shè)定值。如果電機(jī)速度低于此設(shè)定值（10hz），且在時(shí)間差內(nèi)大于睡眠延時(shí)時(shí)間，則變頻器進(jìn)入睡眠模式；在睡眠模式下，電機(jī)停止運(yùn)行。

（2）40.22—睡眠延時(shí)時(shí)間設(shè)定（20s）。當(dāng)電機(jī)速度低于睡眠速度設(shè)定值時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；當(dāng)電機(jī)速度高于睡眠速度時(shí)，計(jì)時(shí)器復(fù)位。設(shè)定范圍0.0—3600.0s。

（3）40.23—睡眠功能喚醒設(shè)定值。如果過程實(shí)際值低于設(shè)定值，且時(shí)間長于喚醒延時(shí)時(shí)間，則變頻器就被喚醒。其設(shè)定范圍0.0—100.0%（以過程給定值的百分比形式表示）。

（4）40.24—睡眠功能喚醒延遲時(shí)間。當(dāng)過程實(shí)際值低于喚醒設(shè)定值時(shí)，計(jì)時(shí)器開始工作；當(dāng)過程實(shí)際值高于喚醒值時(shí)，計(jì)時(shí)器復(fù)位。其設(shè)定值范圍0.0—3600.0s。

（5）99.02—變頻器控制模式。設(shè)定“3”時(shí)，則為pid控制模式。

其睡眠功能時(shí)序圖如圖4所示。

4　控制系統(tǒng)調(diào)試

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝完成后，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，以確保系統(tǒng)控制的實(shí)際效果。新系統(tǒng)最后的調(diào)試工作極為重要和關(guān)鍵，這也關(guān)系到整個(gè)改造工程的成敗，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)，系統(tǒng)地進(jìn)行參數(shù)修正，調(diào)整各項(xiàng)控制參數(shù)到最佳數(shù)值，才有可能充分發(fā)揮系統(tǒng)控制的先進(jìn)性和優(yōu)越性。

變頻器的參數(shù)設(shè)置較簡單，其主要是煤氣進(jìn)口壓力信號作用后需要修改的有關(guān)參數(shù)設(shè)置。調(diào)試步驟如下：

（1）確定設(shè)定信號的范圍。首先斷開壓力測量信號，將給定電位器調(diào)至最小，啟動(dòng)變頻器運(yùn)行（帶載），緩慢增加給定電位器電阻至風(fēng)機(jī)出口壓力達(dá)到5.2kpa，測取電位器的實(shí)際阻值和電壓值u（ai3、ai4端），并記錄變頻器的輸出頻率值。

（2）將壓力信號接入控制系統(tǒng)，并使給定信號為u，設(shè)置pid的有關(guān)參數(shù)為一定值，緩慢增加壓力，測取煤氣進(jìn)口壓力對系統(tǒng)的影響程度（通過記錄其對應(yīng)的數(shù)據(jù)，可得出其線性關(guān)系），如果對給定值修正不理想，可重新設(shè)定pid參數(shù)（一般是改變比例常數(shù)），以求取最佳修正參數(shù)值。

（3）喚醒值的確定。將煤氣進(jìn)口壓力提高到4.8

kpa，并使給定信號電壓為u，啟動(dòng)系統(tǒng)工作，測取變頻器的輸出頻率，再換算成實(shí)際給定量大小，即可得到喚醒值大小。

（4）系統(tǒng)投入運(yùn)行后，必須驗(yàn)證實(shí)際干擾信號的影響程度，如系統(tǒng)震蕩，如不穩(wěn)定，可改變pid的微分、積分時(shí)間常數(shù)值，以確定實(shí)際需要的參數(shù)值。

（5）實(shí)際測得：給定最大電壓為8.4v；當(dāng)煤氣壓力為0.6kpa時(shí)，變頻器輸出頻率為42hz；喚醒值設(shè)置為82%（實(shí)際運(yùn)行值）。

（6）煤氣恒壓控制系統(tǒng)變頻調(diào)試中注意的事項(xiàng)：加速時(shí)間要求盡可能的短（可減小系統(tǒng)滯后時(shí)間），因?yàn)樵O(shè)定過長，會(huì)使煤氣壓力突然大幅降低時(shí)，風(fēng)機(jī)不能立即提速，造成鍋爐熄滅；增加減速時(shí)間，能降低煤氣供給壓力波動(dòng)和調(diào)速控制系統(tǒng)的干擾，對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，有助于煤氣穩(wěn)定、可靠地供給，也防止變頻器頻繁加、減速狀態(tài)動(dòng)作，導(dǎo)致變頻器過熱和保護(hù)功能動(dòng)作。雖然這種設(shè)定犧牲了一些系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和跟隨性，但卻能很好地滿足鍋爐正常工作的安全性和穩(wěn)定性。

實(shí)踐證明，這種變頻控制調(diào)節(jié)裝置比較適合壓力波動(dòng)較大，且要求流量穩(wěn)定、壓力較高的供氣用戶。改造結(jié)果證明，效果良好，煤氣壓力控制指標(biāo)滿足鍋爐正常運(yùn)行的要求，熱媒油溫度調(diào)整迅速、穩(wěn)定，燃燒充分，鍋爐效率提高9%；日節(jié)電73kw.h以上。

5　結(jié)束語

應(yīng)用變頻器對熱媒加壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了煤氣恒壓控制目的；提高了鍋爐運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，節(jié)約電能顯著，據(jù)統(tǒng)計(jì)每月可節(jié)約用電2200kw.h，風(fēng)機(jī)故障仃機(jī)率降至4h/月（改造前平均為23h/月左右）；風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸承座軸承的更換周期延長到7個(gè)月以上（改造前平均為2個(gè)月）。并取得了以下好處：

（1） 改造實(shí)施難度低。適合企業(yè)自己施工改造，沒有復(fù)雜的外部控制電路設(shè)計(jì)，調(diào)試方便。

（2） 控制參數(shù)易修改。通過變頻器內(nèi)部設(shè)定數(shù)據(jù)修改，就能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化。

（3） 改造費(fèi)用低。只需購置變頻器；許多原有的電器器件都得到了充分利用，如電機(jī)、壓力傳感器、控制箱、操作臺(tái)等。

（4）維修工作少。改造兩年來，其電器控制系統(tǒng)只進(jìn)行了幾次清灰和日常檢查；系統(tǒng)工作穩(wěn)定；風(fēng)機(jī)維修費(fèi)用每年減少1.8萬元（購置軸承費(fèi)用）。

（5）節(jié)約電能。在相同煤氣消耗量和壓力條件下，電機(jī)電流平均降低7.2a，電機(jī)溫度降低8～11℃。