供暖锅炉变频控制系统

第一章绪论项目背景及课题的研究意义随着城市建设的迅速发展，我国北方地区冬季城市集中供暖成为城市现代化必然采取的步骤。而供暖面积的不断扩大，使如何科学有效地控制和管理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。在供暖系统中，锅炉房供暖所占比例很大，据对我国北方地区29个大中城市近3,5亿平方米的供暖调查，锅炉供暖占84%，热力供暖占12%，其他供暖占4%。在今后相当长的时间内，集中热力供暖是发展趋势，但无法取代锅炉供暖的主流地位。锅炉是消耗能源、产生大气污染、事关生产与生活和安全的重要设备，它在国民经济整个能源消耗中占有相当大的比重。目前我国供暖锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃用的主要是中、低质煤，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，造成了严重的能源浪费和环境污染。据统计，我国目前拥有工业锅炉50万台，每年消耗的燃煤占全国原煤产量的三分之一，约4亿吨。锅炉每年排放烟尘约620万吨，SO2约S10万吨，此外还有大量的NO2等有害气体，成为我国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的CO2气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。本文结合兰州铁路局银川地区锅炉房变频改造工程项目，设计了一套基于变频调速技术的计算机锅炉监控系统。银川地区锅炉房是兰州铁路局最大的集中供热站之一，担负着为银川地区系统集中供热的任务。银川地区锅炉房(以下简称锅炉房)节能改造工程关系到锅炉房内设备能否长期、安全、稳定、连续的低耗运行。目前，该锅炉房已有计算机监控系统一套。该套计算机监控系统与原非计算机监控的人工控制系统并列运行。锅炉房控制采用常规集中盘控和计算机控制相结合的控制方式。但由于鼓风机、引风机、炉排电机、补水泵以及循环泵均采用工频配电，手动控制，都没有引入锅炉自动控制系统，锅炉房基本上采用集中盘上手控。只实现控制参数的显示和部分控制等，对炉膛负压、炉膛温度、出水温度、出水压力、回水温度、锅筒压力等无法自动控制，使得锅炉运行效率低、能耗大、环境差、工人劳动强度大。因此，对现有6台锅炉所用的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵以及补水泵等设备进行计算机控制系统和锅炉电机的变频改造十分必要。由于供暖锅炉系统中的风机、水泵负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，采用交流变频调速控制风机、水泵流量代替传统阀门、挡板控制流量，可以大大节省该类负载的驱动电机的耗电量，达到节能的目的，如果普遍采用交流变频调速，平均节电率在30%左右。用变频器启动风机、水泵等电动机，由于变频器内部具有矢量转矩控制技术，保证了电机良好的启动性能，实现电机软启动，有效地限制了电机的启动电流，明显降低电机启动噪声。同时，电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机、水泵等大电机的冲击，有效地保护设备，延长设备使用寿命。锅炉的计算机控制使锅炉始终处于最佳工作状态，提高了锅炉的运行效率和燃煤的燃烧效果，不仅节约燃煤，也减少了烟尘和有害气体的排放，具有较好的环保效果。同时，计算机控制系统通过各种传感器检a}}J锅炉温度、压力、流量等参数，传送至微机和仪表盘，并实现温度和压力等参数的自动控制，工人在计算机控制室就可以全面了解锅炉房各部分的运行情况，大大改善了工人的工作条件，提高了自动化程度和管理水平。因此，采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。2供暖锅炉控制的国内外研究现状当前，节能与环保己成为人类社会面临的两大课题。我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一，燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重，而且锅炉设备陈旧，生产效率和自动化程度低，进一步加重了环境污染的程度。在欧美和日本等发达国家，石油和天然气己成为第一能源，占能源消费的60%左右，燃油和燃气锅炉的己逐步取代燃煤锅炉to，对风机和水泵等电机的变频控制己相当成熟。自20世纪90年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制、自适应控制等智能控制算法的发展以及智能控制器的应用，锅炉控制水平大大提高，己实现优化控制。国内对锅炉控制的研究起步较晚，始于80年代初期。国内研究锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司、南京仁泰公司等。此外还有一些科研院校联合企业开发的各种智能锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院为亚运村北辰供热厂热水锅炉的改造开发的锅炉控制系统，采用“一控四”方案，即一台主机控制四台锅炉。尽管对锅炉控制的研究和推广已取得了很大的进展，但仍然存在一些问题:1、大多数现有的锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备，如风机、炉排和水泵的开关或者阀门控制。不能对它们精确连续调节，使控制手段单一，控制精度低。2、锅炉控制系统的控制方案不够合理，锅炉控制器(计算机或可编程控制器)一旦出现故障，只能采取系统断电处理，进行人工操作。若锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时，温度、压力等参数就无法达到设定值。3、我国自70年代末开始，锅炉的微机控制逐渐成熟起来，但主要实现仪表显示、报表打一印等功能，并未实现锅炉自动控制，下位机主要以单片机为主，控制水平有限，可靠性不够高。1.3本文所做工作针对目前供暖锅炉控制的现状和存在的问题，本文主要做了以下工作:1、提出系统控制方案。本文针对兰州铁路局银川地区锅炉房变频改造工程，设计一套基于变频调速技术的锅炉监控系统。针对第1个问题，本文提出对锅炉供暖系统中的风机和水泵等电机进行变频改造，通过变频器来调节电机的转速，节省了大量的电能。针对第2个问题，本系统采取远程控制和就地控制，远程控制通过工业控制计算机和可编程控制器来控制，就地控制直接操作变频控制柜，一旦远程控制出现故障，可暂时采用就地控制，以保证供暖正常。并且，远程控制有联动控制和单动控制两种工作模式，正常情况下工作在联动控制模式，用户在计算机操作界面上设置温度和压力等参数即可实现正常供暖。若是传感器等外围设备出现故障，则联动控制无法实现，可转入单动控制模式，操作人员根据经验直接设置各电机的转速。针对第3个问题，本系统中上位机采用高可靠性的研华IPC610工业控制计算机，对锅炉控制系统统一调度和监控管理，下位机采用西门子公司57-300可编程控制器，实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。2、本系统的主要设计任务是锅炉系统的变频改造，变频调速技术是关键技术，因此本文详述变频调速技术在锅炉控制中的应用，并分析变频调速应用在锅炉供暖系统带来的节能效果。3、阐述供暖锅炉控制的控制原理，参照火力发电厂蒸汽锅炉控制系统的控制模型提出供暖锅炉系统的控制模型。简要介绍PID控制算法，并运用PID控制方式进行系统的补水控制、循环流量控制、燃烧过程控制以及炉膛负压控制。4,锅炉控制系统的总体设计。本文讨论了锅炉控制系统的设计目标、功能分析和控制方案。并详细介绍了整个系统的硬件结构和通讯配置。5、下位机控制系统的设计。本文首先根据系统控制要求确定PLC的选型以及模块的选择;讨论PLC与上位机之间、PLC与变频器之间的通讯配置，制定通信协议;设计PLC控制程序，给出主程序、基础功能块和各子程序的设计流程图和部分梯形图程序。6、上位机监控组态软件设计。上位机监控系统完成对整个系统的监控管理，本文选用西门子监控组态软件WINCC设计，根据用户提出的要求完成了操作界面及控制程序、数据库等程序设计，实现超温超压报警联动、历史数据查询、报表打印等功能。第二章变频调速在供暖锅炉控制中的应用2.1变频调速基本原理目前，随着大规模集成电路和微电子技术的发展，变频调速技术已经发展为一项成熟的交流调速技术。变频调速器作为该技术的主要应用产品经过几代技术更新，己日趋完善，能够适应较为恶劣的工业生产环境，_目.能提供较为完善的控制功能，能满足各种生产设一备异步电动机调速的要求。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60f(1-s)/P其中n表示电机转速;f为电动机工作电源频率:s为电机转差率:P为电机磁极对数。通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交一直一交电源变换技术，集电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。2.2变频调速在供暖锅炉系统中的应用由于变频调速可以实现电机无级调速，具有异步电机调压调速和串级调速无可比拟的优越性，在锅炉系统中得到广泛的应用。变频调速在供热锅炉系统中主要应用在风机调速和水泵调速。通常在锅炉燃烧系统中，根据生产需要对风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应用户要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。在供暖锅炉系统中带有循环泵、补水泵等水泵类设备，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏，还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备而影响生产。目前，风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。近年来，出于节能的迫切需要和对供暖质量不断提高的要求，加之采用变频调速器(简称变频器)易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。用变频器来对异步交流电动机调速，是八十年代末迅速发展成熟的一项高新技术。它的优点是:调速的机械特性好，调速范围广，调整特性曲线平滑，可以实现连续、平稳的调速，尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可获得显著的节能效果。2.3变频调速节能分析变频调速应用于锅炉系统的风机和水泵等电机的自动控制中，其节能效果明显。本节将以风机节能为例，详细分析其节能效果。水泵的节能分析类似，限于篇幅，不再赘述。由流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速。与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n,H∝n2,P∝n3;即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。图2-1给出了风机中风门调节和变频调速二种控制方式下风路的压力-风量(H-Q)关系及功率一风量(P一Q)关系。其中，曲线1是风机在额定转速下的H-Q曲线，曲线2是风机在某一较低速度下的H-Q曲线，曲线3是风门开度最大时的H-Q曲线，曲线4是风机在某一较小开度下的H-Q曲线。可以看出，当实际工况风量由Qi下降到Qz时，如果在风机以额定转速运转的条件调节风门开度，则工况点沿曲线1由A点移到B点;如果在风门开度最大的条件下用变频器调节风机的转速，则工况点沿曲线3由A点移到C点。显然，B点与C点的风量相同，但C点的压力要比B点压力小得多。因此，风机在变频调速运行方式下，风机转速可大大降低，节能效果明显。曲线5为变频控制方式下的p-Q曲线，曲线6为风门调节方式下的p-Q曲线。可以看出，在相同的风量下，变频控制方式比风门调节方式能耗更小，二者之差可由下述经验公式[}n]表示:ΔP=[0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3]Pe其中Q为风机运行时实际风量;Qe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的风量;Pe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的功率。假设有一台10t/h的热水锅炉:引风机:55kW，鼓风机:22kW，共77kW则由变频调节与风门调节相比较可知:80%风量时每小时节能ΔP=[0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3]Pe=28.336kW60%风量时每小时节能ΔP=[0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3]Pe=41.888kW如果按全年运行7000