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解決方案



电气自动化行业应用解決方案
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工業鍋爐控制系統應用


ACI變頻器在鍋爐控制系統中的應用 


    本文介绍了變頻器在工業鍋爐控制系統應用中的節能原理、应用方法及變頻器选型与變頻器相关的保护装置及接至电机导线的选择。
一、引言
    變頻器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换爲另一频率的電能控制装置。它的主电路都采用交--交電路。 
    从理论上我们可知,电机的转速 與供電頻率 有以下關系: 

      n = 60f(1 - s)/p (1)
     其中: p--電機極對數 S--轉差率 
     由式(1)可知,轉速n與頻率f成正比如果不改變電機的極對數,只要改變頻率f即可改變電機的轉速,當頻率f在0~50Hz範圍內變化時,電機轉速調節範圍非常寬。 變頻器就是通過改變電機電源頻率實現速度調節的,是一種理想的高效率、高性能的調速手段。在工業領域裏的應用日益廣泛。隨著變頻器的造價日趨降低,利用變頻器驅動異步電機所構成的調速控制系統,越來越發揮出巨大的作用。

二、變頻器在鍋爐控制系統中的主要目的
    變頻器在工業鍋爐自動控制系統中,主要用于鼓風機、引風機、給水系統及除渣系統。其主要目的是在工業鍋爐滿足生産要求的前提下節約能源。而鼓、引風機、給水泵都是平方轉矩負載,根據流體力學原理,平方轉矩負載的流量、壓力、功率與轉速的關系如下:
    流量轉速,壓力轉矩轉速的平方,功率流量*轉矩轉速的方。即:风机或水泵流量与轉速的一次方成正比,压力与轉速的二次方成正比,而轴功率与轉速的三次方成正比。因而,理想情況下有如下关系:   

流量(%)

轉速(%)

壓力(揚程)(%)

功率(%)

100

100

100

100

90

90

81

72.9

80

80

64

51.2

70

70

49

34.3

60

60

36

21.6

50

50

25

12.5

    由上述关系可见,当需求流量下降时,通过调節转速可以節约大量能源。例如:当流量需求减半时,如通过变频调速,则理论上讲,仅需额度功率的12.5%,即可節约87.5%的能源。如采用转统的挡板方式调節風量,虽然也可相应降低能源消耗,但節约效果与变频相比,则是天壤之别。

三、變頻器在鍋爐調速控制系統各個環節上的應用
    1、炉排电机选用的變頻器与鼓、引風機选用的變頻器型号不同。
    爐排變頻選用通用型即選用ACI G11系列變頻器鼓、引風機變頻選用節能型即ACI P11系列變頻器。
    2、鼓、引風機控制
    鼓、引風機采用變頻控制,這是鍋爐系統中變頻應用的主要部分,既是節電最顯著的部分,也是變頻投資最大的部分。控制過程:
    ①.引风控制:通过炉膛上的負壓变送器将炉膛压力标准电信号送入引风變頻器PID控制器的反馈通道經處理後與設定爐膛負壓比較经过PID控制器控制引风變頻器调節電机转速使爐內負壓穩定在設定值從而達到自動跟蹤鼓風保持爐膛負壓恒定目的。引風電機速度隨著爐膛負壓值的變化而變化即保證鍋爐燃燒部分的自動運行。
    ②.鼓风控制:通过蒸汽管道上的压力变送器将所需蒸汽壓力信号送入鼓风變頻器PID控制器的反馈通道經處理後與設定蒸汽壓力值比較经过PID控制器控制鼓风變頻器调節電机转速使蒸汽管道上壓力基本穩定在設定值,使官網蒸汽壓力穩定在設定值。 
    ③.在變頻器改造之前,鍋爐控制鼓、引風機風量靠人工根據蒸汽壓力的大小來操作風道擋板的开度控制风机風量,蒸汽壓力低于需要的压力时,开大挡风板,蒸汽壓力高于需要的压力时,关小挡风板。因此电机全速运转产生的風量不能全部使用,采用挡板控制風量会造成约30%的截流损耗。使用變頻器可根據生产需求任意调整电机速度,使输出風量可以调節,提高生产工效并且節能降耗。
      
    變頻器采用ACI DLT-P11系列。控制系統的起動方式爲外部遠程人工控制。
    (1)調速方式:
    A.根據生产需要的压力,设定鼓风机變頻器PID的給定压力,鼓风机的速度由PID根據压力的变化自动调節;引风机速度根據炉膛負壓设定值与实际值比较由變頻器内置PID控制,确保炉膛負壓爲设定值;
    B.變頻器通过端子切换爲自动PID运行方式。
    C.系统还可实现全开环运行,通过控制柜或现场操作箱上的启停按钮和电位器实现人工控制和调速。
    
(2)系統的主要鎖:
    A.鼓风机运行条件:只有当引风机投入运行後,鼓风机才允许启动運行。
    B.变频和工频连鎖。变频运行与工频运行鎖。
    C.当变频系统在运行过程中出现故障时发出声、光报警信号提醒值班人員適時處理。
    
(3)系統構成: 控制原理圖如下圖所示


    这主要是由于鼓、引風機调節的幅度相對也较大,電機容量也較大。變頻器在鍋爐调速控制系统中,主要应用于鼓风机、引风机、給水系统及除渣系统。其最主要的目的在于節约能源。采用变频调速方法節能的原理,是基于流量、压力、转速、轉矩之间的关系。这些关系如公式:P2(n2/n1)3*P1在選擇鼓、引風機變頻器时要考慮在安裝變頻器可以适当提高频率(大于50Hz)即提高运行转速,以保证锅炉系统有足够的風量,否则可能造成原系统大负荷时風量够用变频改造後大负荷时風量不够的尴尬局面。3.3 爐排變頻控制
    3、炉排电机很小,因而采用變頻器控制主要目的是穩定運行,解決原控制系統控制爐排速度不穩造成的原煤燃燒不充分、爐渣中還有相當多的“紅碳”,原煤沒有得到充分利用。當然相對節電也很只是绝对数值很小。爐排變頻控制的特殊性在于:
    
A.爐排由于經常處于低速運行,所以電機散熱會出現問題,解決的方法是選用變頻專用電機。
    B
.由于低速运行时變頻器输出電壓低,輸出电流大,因此變頻器必须选一檔否則,無法保證爐排電機低速時穩定運行。
   4、給水系统恒壓給水
    在鍋爐水系统中,采用变频控制,既能節约大量能源,又能稳定給水系统的压力,保障锅炉系统的安全运行,具有非常的實際意義并且給水系统的电机相對鼓、引風機而言容量较小,投资不大。因此,非常值得推广采用。
    給水系统变频应用的特殊性:锅炉給水系统一般采用多台电机,并聯母管式給水,没有必要每台电机都采用变频。既经济又可靠的方法是:只有两台电机由变频自动控制且这两台电机爲一用一备方式工作。主要是利于电机检修。其他給水电机仍采用常规控制方法,其原因有两点:
    5、在并聯母管式給水方案下,全自动控制給水方案不实用,无实际意义。主要原因是每台水泵的单向止回阀泄露問題和更换問題。全自动控制給水时,单向止回阀前後的截止阀必须始终保持打开状态,才能保证自动控制电机启动後,水能够自动流出。但随着锅炉负荷的增减,水泵电机不会全部運行。这样,不运行的水泵电机,由于单向止回阀在水压的作用下,极易发生泄露,造成水的回流及电机的反转。而当需要停止的水泵运行时,电机由反转变爲正转的过程中,由于电机的超负荷大电流,必然造成控制电路超负荷跳闸。解决的方法是:采用半自动控制,设定給水压力上、下限报警。上限报警时,通知操作人员关掉一台水泵。下线报警时通知操作人员启动一台水泵。而变频控制的水泵则保证在可调范围内的恒壓給水。每台水泵电机均采用变频控制,投资太大,且由于上述原因,也没有必要,并且不实用。
    6、 沖渣泵變頻控制
    沖渣泵采用變頻控制,其目的有兩點:節,節水。
    方法是采用高、低速分时控制。高速运行一段时间,然後,低速运行一段时间,自动交替運行。高速运行时把炉渣冲走,低速运行时保证炉渣灭火。

四、變頻器在工业锅炉应用中的优点:
    1、实现了自动控制,揭开了锅炉运行自动化的新篇章。使难以控制的燃烧过程实现了自动化,减少劳动强度。在网络化日益普及的今天,与普通的点对点硬线连接方式而言,通过高速通讯连接的變頻器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。
    2、控制電機的啓動電流。當電機通過工頻直接啓動時,它將會産生7到9倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的內部應力並産生熱量,從而降低電機的壽命。而變頻調速可以實現軟启动。一旦频率和电压的关系建立, 變頻器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流,提高绕组承受力,用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应延長
    3、降低电力线路电压波动。在电机工频启动时,电流剧增的同时供電電網的電壓也會大幅度波動,電壓下降的幅度將取決于啓動電機的功率大小和配電網的容量。電壓下降將會導致同一供電網中的電壓敏感設備故障跳閘或工作異常,如感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速後,由于實現了軟啓動,能最大程度上消除電壓下降。
    4、可对风机的風量作平滑的无级调速,使風機工作在最佳工点,工況曲线更符合實際要求提高風機效率,避免了喘振現象。穩定了爐膛負壓,滿足工作環境的要求。
    5、低速运行可以减少磨损,降低噪音,有利于延長电机和风机的使用寿命。
    6、節能效果显著。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比,所以采用变频後,大大節约了電能,投資回報更快,用戶也願意接受。

五、變頻器实际应用中存在的問題
    1、變頻器功率的选择
    选择變頻器时,要充分考虑原系统电机裕問題否則原系統電機運行正常,使用变频控制後,发现变频电机容量不够,再更换大一檔变频,必然造成不必要的损失与麻烦。
    2、远距离变频控制的可靠性問題
    變頻器的控制端子,均爲弱电直流信号或点信号,当采用远距离控制时,应充分考虑线路的抗干扰問題和损耗問題。尤其是当采用开关量进行加、减速控制时,要使節点输出尽可能与变频安置在一起,以防无源節点的线路阻抗和干扰造成控制不灵敏或失效。
    3、设计选型中的其它問題
  (1)空氣斷路器的選擇
    由于變頻器具有软启动、无冲击的特性,所以空气开关可以按變頻器容量选择考慮電機啓動時的電流沖擊。
  (2)电机熱保護的選擇
    由于變頻器控制单台电机,不需要选择热保护继电器,直接采用變頻器的電子熱保护即可。但若同时控制多台电机,则每台电机的热保护要单独计算及选择。选择时,要根據电机低速运行时的电流情況选择,而不是根據电机额定电流选择。此电流比电机额定电流大得多。
  (3)电流、电压的检测問題
    由于變頻器输出端的电流、电压随频率发生变化,所以、对变频设备的电流、电压检测均应在變頻器的进线端进行。即电流互感器、电压表均应设计在进线端。即空气断路器後,變頻器前。
  (4)导线問題
    變頻器进线可以适当减少裕。因爲變頻器節電的特征,即减少进线电流。但變頻器的出线要适当加大裕,尤其是长期低速运行的變頻器设备,其输出电流是相当大的。

六、ACI變頻器发电厂风机中的应用:
    廣東廣惠能源有限公司(生活垃圾發電廠)是利用生活垃圾、工業垃圾發電的節能環保企業,设计规模爲日处理垃圾600吨,发电机装机容量爲2X6WM。垃圾焚烧发电工程于2007年12月正式与电网并网发电。焚烧炉风机、电控系统全部采用西门子电机、變頻器、接触器(工变频切换),使用几年後,西门子變頻器先後有多台损坏,因修复周期长、修理费用高,广东广惠能源有限公司领导决定采用国产變頻器代替西门子變頻器,经过比较分析,先後选用了几款国产變頻器,在使用几个月後變頻器都有过炸机现象存在,严重影响安全生产。
    经过考察,广东广惠能源有限公司决定使用ACI G11通用變頻器。在安装现场,我公司技术人员经过跟班後仔细分析,认爲主要原因是该发电厂在深夜用电负荷很低时电网电压非常高,有时高达450V以上,加上深夜垃圾焚烧量少,所需的風量减少,风机需要从高速降成低速,由于风机是大惯性负载,在减速过程中会将机械能转化爲電能回馈給變頻器,使得變頻器母线电压升高达到过压保护值附近;如果變頻器內部积有导电粉尘或者湿度过大而使變頻器绝缘等级降低,變頻器就可能由于內部绝缘击穿而损坏。
    在分析變頻器损坏原因後,我们采用了如下措施:
    ①加強電氣絕緣,從硬件上提高耐壓等級;
    ②调整直流母线电压显示值,使變頻器显示值大于母线电压值约5%(如实际值爲540V,显示值约爲567V),目的是降低失速过压点(软件限制最小爲120%使失速过压点在115%时起作用);
    ③调整相关参数,降低过压失速点从默认值140%(即失速电压值爲750V,接近过压保护值780V,如果母线电压长期在750V附近若此时變頻器绝缘降低则可能绝缘击穿而使變頻器损坏)降爲120%(645V),使變頻器在母线电压显示值达到645V时风机就不能减速,防止风机电机工作在发电状态而使變頻器母线电压进一步升高;
    ④设定變頻器停机方式爲自由停车,防止停机时變頻器过压损坏。经过采用上述措施後,我公司生产的1台P11-220KW的鼓风机、1台P11-315KW的引风机从2010年3月使用到现在一直正常运行,没有出现故障停机现象,稳定了生产,同时節约了大量電能。

7. 結束語
    工业鍋爐控制系统采用變頻器调速实现锅炉的控制,稳定性和可靠性高,调節特性好。由于變頻器可以非常平滑稳定地调,运行人员可灵活地调控燃烧系统、給水系统,提高了锅炉效率,减少工作强度。变频调速使电机运行明显改善,维护量明显减少,同时大大减少機械系統變速機構和控制機構。使系統更加方便操作,設備工作效率明顯提高,系統采用過流、過壓、瞬時斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護,避免了因此成电机烧损而影响生产所带来的直接和间接经济损失,更爲重要是它的節能效果非常明顯,經濟效益非常可觀。





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