傳動之星變頻器在鍋爐上的應(yīng)用
一．概述
風(fēng)機水泵類負(fù)載多是根據(jù)滿負(fù)荷工作需要用量來選型，實際應(yīng)用中大部分時間并非工作于滿負(fù)荷狀態(tài)，由于交流調(diào)速電機很困難。通常工業(yè)鍋爐上的鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、給水泵都是電機以定速運行，再通過改變風(fēng)機入口的檔板開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量；通過改變水泵出口管路上的調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)給水泵。而風(fēng)機和水泵的最大特點是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此如將電機的定速運轉(zhuǎn)改為根據(jù)需要的流量來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速就可以節(jié)約大量的電能，同時也可以容易實現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，節(jié)能效果將進(jìn)一步提高。
現(xiàn)將株洲某化工廠設(shè)計和實施的一臺35t/h工業(yè)鍋爐的變頻調(diào)速系統(tǒng)改造項目作一介紹。
二．鍋爐系統(tǒng)構(gòu)成
控制系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖一所示，圖中傳感變送儀表將鍋爐的特種工藝參數(shù)變換成4—20MA/DC電流信號，送至變頻器、控制器能完成數(shù)據(jù)采集，回路控制等功能。其中鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、爐排機變頻器受燃燒控制系統(tǒng)的控制，給水泵變頻器受汽包水位的控制?？刂破鞯妮敵鲂盘枌⒖刂葡嚓P(guān)的變頻器輸出頻率，以達(dá)到穩(wěn)定工況及提高鍋爐熱效率和節(jié)能目的。
變頻器頻率設(shè)定信號采用4—20MA/DC電流信號，在控制器與每臺變頻器之間裝有一臺小型自動切換操作器，該操作器輸入輸出均為4—20MA/DC，具有手動、自動、強制手動三種工作方式。變頻器的正轉(zhuǎn)信號由一開關(guān)控制、并裝在操作臺上，因此控制變頻器的啟動、停止及調(diào)節(jié)其輸出頻率是很方便的。此處還用變頻器來調(diào)整兩臺皮帶輸渣機的速度。
壹臺鍋爐共使用了六臺傳動之星Y系列一體化智能變頻器和二臺G系列高性能通用型變頻器。
其中Y系列一體化智能變頻器如下圖二所示，它的功能特點是：
A。結(jié)構(gòu)緊湊，外形美見；
B。具有節(jié)電、市電和停止三位鎖控開關(guān)，便于轉(zhuǎn)換及管理；
C。變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源，轉(zhuǎn)換到工頻運行；
D。具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
E。高可靠性。市電/節(jié)能運行雙回路安全設(shè)計，具有自動復(fù)位、掉電復(fù)位功能。
G系列高性能通用型變頻器功能特點如下所示：
A．采用獨特的空間電壓矢量調(diào)制方式；
B．獨有的載頻和死區(qū)補償技術(shù)，實現(xiàn)完美的電流波形；
C．超靜音優(yōu)化設(shè)計，降低電機噪音；
D．內(nèi)置簡易PLC；
E．內(nèi)置RS485/RS232通訊接口，可聯(lián)機控制。
三．系統(tǒng)各部分變頻改造介紹
1．鼓風(fēng)機和引風(fēng)機
鼓風(fēng)機為45KW兩臺，選用45KWY系列一體化變頻器2臺。
通過爐膛中煙氣氧量變送器傳輸?shù)碾娏餍盘?，控制鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速，保障煙氣氧量穩(wěn)定在燃料燃燒要求的最佳范圍，達(dá)到節(jié)電和節(jié)煤雙重效果。
引風(fēng)機為93KW兩臺，選用93KWY系列一體化變頻器2臺。
使鍋爐處于負(fù)壓狀態(tài)，不僅為爐膛內(nèi)的燃料燃燒達(dá)到最佳的風(fēng)煤比提供了基礎(chǔ)條件，而且不使?fàn)t膛吸入過多的冷空氣和煙道排出過多熱量，同時還避免了由于人工操作不當(dāng)和維護(hù)不及時引起的人身和設(shè)備事故。
為了保證鍋爐的安全運行，工業(yè)鍋爐都設(shè)置有聯(lián)鎖保護(hù)電路，即電氣聯(lián)鎖保護(hù)、工藝參數(shù)鎖保護(hù)。前者在鍋爐啟、停時，保證引風(fēng)機先于鼓風(fēng)機啟動而晚于鼓風(fēng)機停止運行，以防誤操作時爐膛正壓噴火，危及人身安全，及粉尖外噴影響環(huán)境衛(wèi)生；后者在汽包水位或汽包壓力超標(biāo)時，自動停止鼓、引風(fēng)機，迅速減弱燃燒，以確保鍋爐的安全。
鼓、引風(fēng)機啟動的相互聯(lián)鎖保護(hù)電路，是利用變頻器的頻率水平檢測來實現(xiàn)的，即先啟動引風(fēng)機，當(dāng)引風(fēng)機轉(zhuǎn)速高于某一設(shè)定值頻率時，輸出有效信號起作用，使Y1端子輸出為ON，（并對F0-44號參數(shù)設(shè)為7）才允許鼓風(fēng)機啟動，如圖三所示：為避免爐膛正壓噴火，可將鼓風(fēng)機變頻加速時間設(shè)定比引風(fēng)機加速時間長一些；停機時，將鼓風(fēng)機變頻的X1與COM短接，（并對F0-046號參數(shù)設(shè)為1）輸入了空轉(zhuǎn)命令，鼓風(fēng)機輸出馬上為OHZ，鼓風(fēng)機馬上停機，而引風(fēng)機則按原設(shè)定的減速時間慢慢停下來，工藝參數(shù)超標(biāo)時與儀表相聯(lián)的繼電器動作，在報警的同時，還斷開鼓、引風(fēng)機的正轉(zhuǎn)運行信號，使鼓、引風(fēng)機停機，停機過程同上，不再詳述。
2．給水泵
給水泵兩臺30KW，選用30KWY系列一體化變頻器2臺。
采用一拖一帶工頻旁路，一臺運行一臺備用的方式，如圖四所示：給水泵是向鍋爐提供足夠的軟化水，使鍋爐液面保持一定的高度，多采用恒壓控制或恒液位控制，使液面不隨蒸發(fā)量的變化而改變。頻率設(shè)定信號為4—20MA/DC并聯(lián)接至變頻器，這比串聯(lián)接線的可靠性要高，并且取消了常規(guī)啟動柜和電動調(diào)節(jié)閥。
當(dāng)工業(yè)鍋爐的給水泵采用變頻調(diào)速時，存在一個事故隱患，但往往被忽視。自動給水系統(tǒng)輸出的電流信號，作為給定頻率信號，通過變頻器對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以達(dá)到調(diào)整給水流量來穩(wěn)定汽包水位之目的。在生產(chǎn)過程中，如果自控系統(tǒng)斷電或控制無輸出信號及變頻器出故障，將使變頻器輸出頻率為0HZ，使給水泵停轉(zhuǎn)中斷給水，這對鍋爐安全是極不利的，因此應(yīng)采用取一定措施，以避免斷水事故的發(fā)生。監(jiān)測自控系統(tǒng)供電及控制器和操作器是否正常呢？
最直觀的方法是監(jiān)測輸入至變頻器的4—20MA/DC電流信號的有無，失常時通過監(jiān)測電路將給水變頻器的X1與COM接通，如給水泵控制示意圖五所示，變頻器設(shè)定的第一段速度運行（50HZ），此前應(yīng)對F0-046、047、048號參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這不保證了鍋爐供水不中斷，另一個方法是對變頻器的頻率設(shè)定信號進(jìn)行控制，在正常時用電流設(shè)定（4—20MA/DC），異常時自動改用電壓設(shè)定。即增設(shè)一只位器，在異常時用其來調(diào)整變頻器的輸出頻率。此時，使用X4端子功能，并對其FO-049號參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
仍靠上述的監(jiān)測電路來控制X4-COM通斷來達(dá)到目的。（具體的一些參數(shù)設(shè)置請參照傳動之星說明書）
對于給水泵變頻器加速時間的設(shè)定，應(yīng)在保證供水的前提下，盡量長一點，這樣對工藝管道有利，因為這可以克服水泵加速過快時的“水錘效應(yīng)”和減速過快時的“空化現(xiàn)象”。
3．爐排及輸渣機
選用7.5KW和5.5KWG系列高性能通用型變頻器各一臺。
輸渣機按常規(guī)50HZ運行時，皮帶運行時，皮帶運行速度太快，況且有時皮帶上還沒有煤渣，這樣皮帶磨損很大，需要經(jīng)常更換皮帶。而且煤渣多與少還與使用的煤質(zhì)有很大的關(guān)系，因此采用變頻器后即可以降低皮帶輸渣機的運行速度，又可以根據(jù)煤渣多少來改變皮帶運行速度。實施中，我們采用低于50HZ的固定頻率運行方式，即將變頻器上限頻率設(shè)定為某一頻率（本例中為25HZ），這樣皮帶運行速度僅為常規(guī)運行方式的50%，大大減少了皮帶的磨損。如果在這一速度下運行時出現(xiàn)煤渣過多，可將速度適當(dāng)加快。由于這樣的情況不經(jīng)常發(fā)生，故采用重新設(shè)置變頻器上限頻率方式進(jìn)行，或通過變頻器鍵盤的▲、▼鍵來調(diào)整頻率。
正常操作時，一般不輕易切斷變頻器的主電源，停爐時間較短時，鈕下變頻器正轉(zhuǎn)信號即可，只有長時間停爐及檢修時才切斷變頻器主電源，并在操作臺上設(shè)計有變頻器跳閘的聲光報警信號及變頻器復(fù)位按鈕。
四．應(yīng)用效果
通過對變頻器在工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用，采用變頻器控制具有以下諸多優(yōu)點：
1．采用變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，檔板和調(diào)節(jié)閥的機械磨損、卡死等故障將不復(fù)存在，節(jié)電效果顯著；
2．采用變頻器控制電機，實現(xiàn)了大電機的啟軟動，平滑啟動及轉(zhuǎn)機轉(zhuǎn)速下降，避免了對電網(wǎng)的沖擊，減少電動機故障率，延長了使用壽命；
3．電機將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運行，降低了噪聲對環(huán)境的影響；
4．具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護(hù)功能及聲光報警功能；
5．安裝比較方便，不用破壞原有的配電設(shè)施及環(huán)境；
6．自動控制爐膛負(fù)壓，減少人工操作因素；
7．采用工業(yè)上最流行最通用的工控機和觸摸屏，可以顯示整個控制系統(tǒng)的運行情況，包括溫度、壓力、流量等其它參數(shù)；
因此，為了節(jié)約電能，提高鍋爐燃燒控制水平，增加經(jīng)濟效益，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)取代低效高能耗的風(fēng)門檔板，已成為各鍋爐使用單位企業(yè)節(jié)能改造的重點。
風(fēng)機水泵類負(fù)載多是根據(jù)滿負(fù)荷工作需要用量來選型，實際應(yīng)用中大部分時間并非工作于滿負(fù)荷狀態(tài)，由于交流調(diào)速電機很困難。通常工業(yè)鍋爐上的鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、給水泵都是電機以定速運行，再通過改變風(fēng)機入口的檔板開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量；通過改變水泵出口管路上的調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)給水泵。而風(fēng)機和水泵的最大特點是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此如將電機的定速運轉(zhuǎn)改為根據(jù)需要的流量來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速就可以節(jié)約大量的電能，同時也可以容易實現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，節(jié)能效果將進(jìn)一步提高。
現(xiàn)將株洲某化工廠設(shè)計和實施的一臺35t/h工業(yè)鍋爐的變頻調(diào)速系統(tǒng)改造項目作一介紹。
二．鍋爐系統(tǒng)構(gòu)成
控制系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖一所示，圖中傳感變送儀表將鍋爐的特種工藝參數(shù)變換成4—20MA/DC電流信號，送至變頻器、控制器能完成數(shù)據(jù)采集，回路控制等功能。其中鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、爐排機變頻器受燃燒控制系統(tǒng)的控制，給水泵變頻器受汽包水位的控制?？刂破鞯妮敵鲂盘枌⒖刂葡嚓P(guān)的變頻器輸出頻率，以達(dá)到穩(wěn)定工況及提高鍋爐熱效率和節(jié)能目的。
變頻器頻率設(shè)定信號采用4—20MA/DC電流信號，在控制器與每臺變頻器之間裝有一臺小型自動切換操作器，該操作器輸入輸出均為4—20MA/DC，具有手動、自動、強制手動三種工作方式。變頻器的正轉(zhuǎn)信號由一開關(guān)控制、并裝在操作臺上，因此控制變頻器的啟動、停止及調(diào)節(jié)其輸出頻率是很方便的。此處還用變頻器來調(diào)整兩臺皮帶輸渣機的速度。
壹臺鍋爐共使用了六臺傳動之星Y系列一體化智能變頻器和二臺G系列高性能通用型變頻器。
其中Y系列一體化智能變頻器如下圖二所示，它的功能特點是：
A。結(jié)構(gòu)緊湊，外形美見；
B。具有節(jié)電、市電和停止三位鎖控開關(guān)，便于轉(zhuǎn)換及管理；
C。變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源，轉(zhuǎn)換到工頻運行；
D。具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
E。高可靠性。市電/節(jié)能運行雙回路安全設(shè)計，具有自動復(fù)位、掉電復(fù)位功能。
G系列高性能通用型變頻器功能特點如下所示：
A．采用獨特的空間電壓矢量調(diào)制方式；
B．獨有的載頻和死區(qū)補償技術(shù)，實現(xiàn)完美的電流波形；
C．超靜音優(yōu)化設(shè)計，降低電機噪音；
D．內(nèi)置簡易PLC；
E．內(nèi)置RS485/RS232通訊接口，可聯(lián)機控制。
三．系統(tǒng)各部分變頻改造介紹
1．鼓風(fēng)機和引風(fēng)機
鼓風(fēng)機為45KW兩臺，選用45KWY系列一體化變頻器2臺。
通過爐膛中煙氣氧量變送器傳輸?shù)碾娏餍盘?，控制鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速，保障煙氣氧量穩(wěn)定在燃料燃燒要求的最佳范圍，達(dá)到節(jié)電和節(jié)煤雙重效果。
引風(fēng)機為93KW兩臺，選用93KWY系列一體化變頻器2臺。
使鍋爐處于負(fù)壓狀態(tài)，不僅為爐膛內(nèi)的燃料燃燒達(dá)到最佳的風(fēng)煤比提供了基礎(chǔ)條件，而且不使?fàn)t膛吸入過多的冷空氣和煙道排出過多熱量，同時還避免了由于人工操作不當(dāng)和維護(hù)不及時引起的人身和設(shè)備事故。
為了保證鍋爐的安全運行，工業(yè)鍋爐都設(shè)置有聯(lián)鎖保護(hù)電路，即電氣聯(lián)鎖保護(hù)、工藝參數(shù)鎖保護(hù)。前者在鍋爐啟、停時，保證引風(fēng)機先于鼓風(fēng)機啟動而晚于鼓風(fēng)機停止運行，以防誤操作時爐膛正壓噴火，危及人身安全，及粉尖外噴影響環(huán)境衛(wèi)生；后者在汽包水位或汽包壓力超標(biāo)時，自動停止鼓、引風(fēng)機，迅速減弱燃燒，以確保鍋爐的安全。
鼓、引風(fēng)機啟動的相互聯(lián)鎖保護(hù)電路，是利用變頻器的頻率水平檢測來實現(xiàn)的，即先啟動引風(fēng)機，當(dāng)引風(fēng)機轉(zhuǎn)速高于某一設(shè)定值頻率時，輸出有效信號起作用，使Y1端子輸出為ON，（并對F0-44號參數(shù)設(shè)為7）才允許鼓風(fēng)機啟動，如圖三所示：為避免爐膛正壓噴火，可將鼓風(fēng)機變頻加速時間設(shè)定比引風(fēng)機加速時間長一些；停機時，將鼓風(fēng)機變頻的X1與COM短接，（并對F0-046號參數(shù)設(shè)為1）輸入了空轉(zhuǎn)命令，鼓風(fēng)機輸出馬上為OHZ，鼓風(fēng)機馬上停機，而引風(fēng)機則按原設(shè)定的減速時間慢慢停下來，工藝參數(shù)超標(biāo)時與儀表相聯(lián)的繼電器動作，在報警的同時，還斷開鼓、引風(fēng)機的正轉(zhuǎn)運行信號，使鼓、引風(fēng)機停機，停機過程同上，不再詳述。
2．給水泵
給水泵兩臺30KW，選用30KWY系列一體化變頻器2臺。
采用一拖一帶工頻旁路，一臺運行一臺備用的方式，如圖四所示：給水泵是向鍋爐提供足夠的軟化水，使鍋爐液面保持一定的高度，多采用恒壓控制或恒液位控制，使液面不隨蒸發(fā)量的變化而改變。頻率設(shè)定信號為4—20MA/DC并聯(lián)接至變頻器，這比串聯(lián)接線的可靠性要高，并且取消了常規(guī)啟動柜和電動調(diào)節(jié)閥。
當(dāng)工業(yè)鍋爐的給水泵采用變頻調(diào)速時，存在一個事故隱患，但往往被忽視。自動給水系統(tǒng)輸出的電流信號，作為給定頻率信號，通過變頻器對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以達(dá)到調(diào)整給水流量來穩(wěn)定汽包水位之目的。在生產(chǎn)過程中，如果自控系統(tǒng)斷電或控制無輸出信號及變頻器出故障，將使變頻器輸出頻率為0HZ，使給水泵停轉(zhuǎn)中斷給水，這對鍋爐安全是極不利的，因此應(yīng)采用取一定措施，以避免斷水事故的發(fā)生。監(jiān)測自控系統(tǒng)供電及控制器和操作器是否正常呢？
最直觀的方法是監(jiān)測輸入至變頻器的4—20MA/DC電流信號的有無，失常時通過監(jiān)測電路將給水變頻器的X1與COM接通，如給水泵控制示意圖五所示，變頻器設(shè)定的第一段速度運行（50HZ），此前應(yīng)對F0-046、047、048號參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這不保證了鍋爐供水不中斷，另一個方法是對變頻器的頻率設(shè)定信號進(jìn)行控制，在正常時用電流設(shè)定（4—20MA/DC），異常時自動改用電壓設(shè)定。即增設(shè)一只位器，在異常時用其來調(diào)整變頻器的輸出頻率。此時，使用X4端子功能，并對其FO-049號參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
仍靠上述的監(jiān)測電路來控制X4-COM通斷來達(dá)到目的。（具體的一些參數(shù)設(shè)置請參照傳動之星說明書）
對于給水泵變頻器加速時間的設(shè)定，應(yīng)在保證供水的前提下，盡量長一點，這樣對工藝管道有利，因為這可以克服水泵加速過快時的“水錘效應(yīng)”和減速過快時的“空化現(xiàn)象”。
3．爐排及輸渣機
選用7.5KW和5.5KWG系列高性能通用型變頻器各一臺。
輸渣機按常規(guī)50HZ運行時，皮帶運行時，皮帶運行速度太快，況且有時皮帶上還沒有煤渣，這樣皮帶磨損很大，需要經(jīng)常更換皮帶。而且煤渣多與少還與使用的煤質(zhì)有很大的關(guān)系，因此采用變頻器后即可以降低皮帶輸渣機的運行速度，又可以根據(jù)煤渣多少來改變皮帶運行速度。實施中，我們采用低于50HZ的固定頻率運行方式，即將變頻器上限頻率設(shè)定為某一頻率（本例中為25HZ），這樣皮帶運行速度僅為常規(guī)運行方式的50%，大大減少了皮帶的磨損。如果在這一速度下運行時出現(xiàn)煤渣過多，可將速度適當(dāng)加快。由于這樣的情況不經(jīng)常發(fā)生，故采用重新設(shè)置變頻器上限頻率方式進(jìn)行，或通過變頻器鍵盤的▲、▼鍵來調(diào)整頻率。
正常操作時，一般不輕易切斷變頻器的主電源，停爐時間較短時，鈕下變頻器正轉(zhuǎn)信號即可，只有長時間停爐及檢修時才切斷變頻器主電源，并在操作臺上設(shè)計有變頻器跳閘的聲光報警信號及變頻器復(fù)位按鈕。
四．應(yīng)用效果
通過對變頻器在工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用，采用變頻器控制具有以下諸多優(yōu)點：
1．采用變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，檔板和調(diào)節(jié)閥的機械磨損、卡死等故障將不復(fù)存在，節(jié)電效果顯著；
2．采用變頻器控制電機，實現(xiàn)了大電機的啟軟動，平滑啟動及轉(zhuǎn)機轉(zhuǎn)速下降，避免了對電網(wǎng)的沖擊，減少電動機故障率，延長了使用壽命；
3．電機將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運行，降低了噪聲對環(huán)境的影響；
4．具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護(hù)功能及聲光報警功能；
5．安裝比較方便，不用破壞原有的配電設(shè)施及環(huán)境；
6．自動控制爐膛負(fù)壓，減少人工操作因素；
7．采用工業(yè)上最流行最通用的工控機和觸摸屏，可以顯示整個控制系統(tǒng)的運行情況，包括溫度、壓力、流量等其它參數(shù)；
因此，為了節(jié)約電能，提高鍋爐燃燒控制水平，增加經(jīng)濟效益，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)取代低效高能耗的風(fēng)門檔板，已成為各鍋爐使用單位企業(yè)節(jié)能改造的重點。
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