傳動之星變頻器在鍋爐上的應用
一．概述
風機水泵類負載多是根據滿負荷工作需要用量來選型，實際應用中大部分時間并非工作于滿負荷狀態，由于交流調速電機很困難。通常工業鍋爐上的鼓風機、引風機、給水泵都是電機以定速運行，再通過改變風機入口的檔板開度來調節風量；通過改變水泵出口管路上的調節閥開度來調節給水泵。而風機和水泵的最大特點是負載轉矩與轉速的平方成正比，而軸功率與轉速的立方成正比，因此如將電機的定速運轉改為根據需要的流量來調節電機的轉速就可以節約大量的電能，同時也可以容易實現閉環恒壓控制，節能效果將進一步提高。
現將株洲某化工廠設計和實施的一臺35t/h工業鍋爐的變頻調速系統改造項目作一介紹。
二．鍋爐系統構成
控制系統總體構成如圖一所示，圖中傳感變送儀表將鍋爐的特種工藝參數變換成4—20MA/DC電流信號，送至變頻器、控制器能完成數據采集，回路控制等功能。其中鼓風機、引風機、爐排機變頻器受燃燒控制系統的控制，給水泵變頻器受汽包水位的控制。控制器的輸出信號將控制相關的變頻器輸出頻率，以達到穩定工況及提高鍋爐熱效率和節能目的。
變頻器頻率設定信號采用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。變頻器的正轉信號由一開關控制、并裝在操作臺上，因此控制變頻器的啟動、停止及調節其輸出頻率是很方便的。此處還用變頻器來調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。結構緊湊，外形美見；
B。具有節電、市電和停止三位鎖控開關，便于轉換及管理；
C。變頻器發生故障時，可自動切斷電源，轉換到工頻運行；
D。具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
E。高可靠性。市電/節能運行雙回路安全設計，具有自動復位、掉電復位功能。
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制方式；
B．獨有的載頻和死區補償技術，實現完美的電流波形；
C．超靜音優化設計，降低電機噪音；
D．內置簡易PLC；
E．內置RS485/RS232通訊接口，可聯機控制。
三．系統各部分變頻改造介紹
1．鼓風機和引風機
鼓風機為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的電流信號，控制鼓風機轉速，保障煙氣氧量穩定在燃料燃燒要求的最佳范圍，達到節電和節煤雙重效果。
引風機為93KW兩臺，選用93KWY系列一體化變頻器2臺。
使鍋爐處于負壓狀態，不僅為爐膛內的燃料燃燒達到最佳的風煤比提供了基礎條件，而且不使爐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和維護不及時引起的人身和設備事故。
為了保證鍋爐的安全運行，工業鍋爐都設置有聯鎖保護電路，即電氣聯鎖保護、工藝參數鎖保護。前者在鍋爐啟、停時，保證引風機先于鼓風機啟動而晚于鼓風機停止運行，以防誤操作時爐膛正壓噴火，危及人身安全，及粉尖外噴影響環境衛生；后者在汽包水位或汽包壓力超標時，自動停止鼓、引風機，迅速減弱燃燒，以確保鍋爐的安全。
鼓、引風機啟動的相互聯鎖保護電路，是利用變頻器的頻率水平檢測來實現的，即先啟動引風機，當引風機轉速高于某一設定值頻率時，輸出有效信號起作用，使Y1端子輸出為ON，（并對F0-44號參數設為7）才允許鼓風機啟動，如圖三所示：為避免爐膛正壓噴火，可將鼓風機變頻加速時間設定比引風機加速時間長一些；停機時，將鼓風機變頻的X1與COM短接，（并對F0-046號參數設為1）輸入了空轉命令，鼓風機輸出馬上為OHZ，鼓風機馬上停機，而引風機則按原設定的減速時間慢慢停下來，工藝參數超標時與儀表相聯的繼電器動作，在報警的同時，還斷開鼓、引風機的正轉運行信號，使鼓、引風機停機，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，使液面不隨蒸發量的變化而改變。頻率設定信號為4—20MA/DC并聯接至變頻器，這比串聯接線的可靠性要高，并且取消了常規啟動柜和電動調節閥。
當工業鍋爐的給水泵采用變頻調速時，存在一個事故隱患，但往往被忽視。自動給水系統輸出的電流信號，作為給定頻率信號，通過變頻器對水泵轉速進行控制，以達到調整給水流量來穩定汽包水位之目的。在生產過程中，如果自控系統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，使給水泵停轉中斷給水，這對鍋爐安全是極不利的，因此應采用取一定措施，以避免斷水事故的發生。監測自控系統供電及控制器和操作器是否正常呢？
最直觀的方法是監測輸入至變頻器的4—20MA/DC電流信號的有無，失常時通過監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，變頻器設定的第一段速度運行（50HZ），此前應對F0-046、047、048號參數進行設置，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定信號進行控制，在正常時用電流設定（4—20MA/DC），異常時自動改用電壓設定。即增設一只位器，在異常時用其來調整變頻器的輸出頻率。此時，使用X4端子功能，并對其FO-049號參數進行設置。
仍靠上述的監測電路來控制X4-COM通斷來達到目的。（具體的一些參數設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定，應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”和減速過快時的“空化現象”。
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，需要經常更換皮帶。而且煤渣多與少還與使用的煤質有很大的關系，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定為某一頻率（本例中為25HZ），這樣皮帶運行速度僅為常規運行方式的50%，大大減少了皮帶的磨損。如果在這一速度下運行時出現煤渣過多，可將速度適當加快。由于這樣的情況不經常發生，故采用重新設置變頻器上限頻率方式進行，或通過變頻器鍵盤的▲、▼鍵來調整頻率。
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，并在操作臺上設計有變頻器跳閘的聲光報警信號及變頻器復位按鈕。
四．應用效果
通過對變頻器在工業鍋爐上的應用，采用變頻器控制具有以下諸多優點：
1．采用變頻器控制電機的轉速，檔板和調節閥的機械磨損、卡死等故障將不復存在，節電效果顯著；
2．采用變頻器控制電機，實現了大電機的啟軟動，平滑啟動及轉機轉速下降，避免了對電網的沖擊，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速的狀態下運行，降低了噪聲對環境的影響；
4．具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護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施及環境；
6．自動控制爐膛負壓，減少人工操作因素；
7．采用工業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的運行情況，包括溫度、壓力、流量等其它參數；
因此，為了節約電能，提高鍋爐燃燒控制水平，增加經濟效益，采用變頻調速系統取代低效高能耗的風門檔板，已成為各鍋爐使用單位企業節能改造的重點。
風機水泵類負載多是根據滿負荷工作需要用量來選型，實際應用中大部分時間并非工作于滿負荷狀態，由于交流調速電機很困難。通常工業鍋爐上的鼓風機、引風機、給水泵都是電機以定速運行，再通過改變風機入口的檔板開度來調節風量；通過改變水泵出口管路上的調節閥開度來調節給水泵。而風機和水泵的最大特點是負載轉矩與轉速的平方成正比，而軸功率與轉速的立方成正比，因此如將電機的定速運轉改為根據需要的流量來調節電機的轉速就可以節約大量的電能，同時也可以容易實現閉環恒壓控制，節能效果將進一步提高。
現將株洲某化工廠設計和實施的一臺35t/h工業鍋爐的變頻調速系統改造項目作一介紹。
二．鍋爐系統構成
控制系統總體構成如圖一所示，圖中傳感變送儀表將鍋爐的特種工藝參數變換成4—20MA/DC電流信號，送至變頻器、控制器能完成數據采集，回路控制等功能。其中鼓風機、引風機、爐排機變頻器受燃燒控制系統的控制，給水泵變頻器受汽包水位的控制。控制器的輸出信號將控制相關的變頻器輸出頻率，以達到穩定工況及提高鍋爐熱效率和節能目的。
變頻器頻率設定信號采用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。變頻器的正轉信號由一開關控制、并裝在操作臺上，因此控制變頻器的啟動、停止及調節其輸出頻率是很方便的。此處還用變頻器來調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。結構緊湊，外形美見；
B。具有節電、市電和停止三位鎖控開關，便于轉換及管理；
C。變頻器發生故障時，可自動切斷電源，轉換到工頻運行；
D。具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
E。高可靠性。市電/節能運行雙回路安全設計，具有自動復位、掉電復位功能。
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制方式；
B．獨有的載頻和死區補償技術，實現完美的電流波形；
C．超靜音優化設計，降低電機噪音；
D．內置簡易PLC；
E．內置RS485/RS232通訊接口，可聯機控制。
三．系統各部分變頻改造介紹
1．鼓風機和引風機
鼓風機為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的電流信號，控制鼓風機轉速，保障煙氣氧量穩定在燃料燃燒要求的最佳范圍，達到節電和節煤雙重效果。
引風機為93KW兩臺，選用93KWY系列一體化變頻器2臺。
使鍋爐處于負壓狀態，不僅為爐膛內的燃料燃燒達到最佳的風煤比提供了基礎條件，而且不使爐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和維護不及時引起的人身和設備事故。
為了保證鍋爐的安全運行，工業鍋爐都設置有聯鎖保護電路，即電氣聯鎖保護、工藝參數鎖保護。前者在鍋爐啟、停時，保證引風機先于鼓風機啟動而晚于鼓風機停止運行，以防誤操作時爐膛正壓噴火，危及人身安全，及粉尖外噴影響環境衛生；后者在汽包水位或汽包壓力超標時，自動停止鼓、引風機，迅速減弱燃燒，以確保鍋爐的安全。
鼓、引風機啟動的相互聯鎖保護電路，是利用變頻器的頻率水平檢測來實現的，即先啟動引風機，當引風機轉速高于某一設定值頻率時，輸出有效信號起作用，使Y1端子輸出為ON，（并對F0-44號參數設為7）才允許鼓風機啟動，如圖三所示：為避免爐膛正壓噴火，可將鼓風機變頻加速時間設定比引風機加速時間長一些；停機時，將鼓風機變頻的X1與COM短接，（并對F0-046號參數設為1）輸入了空轉命令，鼓風機輸出馬上為OHZ，鼓風機馬上停機，而引風機則按原設定的減速時間慢慢停下來，工藝參數超標時與儀表相聯的繼電器動作，在報警的同時，還斷開鼓、引風機的正轉運行信號，使鼓、引風機停機，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，使液面不隨蒸發量的變化而改變。頻率設定信號為4—20MA/DC并聯接至變頻器，這比串聯接線的可靠性要高，并且取消了常規啟動柜和電動調節閥。
當工業鍋爐的給水泵采用變頻調速時，存在一個事故隱患，但往往被忽視。自動給水系統輸出的電流信號，作為給定頻率信號，通過變頻器對水泵轉速進行控制，以達到調整給水流量來穩定汽包水位之目的。在生產過程中，如果自控系統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，使給水泵停轉中斷給水，這對鍋爐安全是極不利的，因此應采用取一定措施，以避免斷水事故的發生。監測自控系統供電及控制器和操作器是否正常呢？
最直觀的方法是監測輸入至變頻器的4—20MA/DC電流信號的有無，失常時通過監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，變頻器設定的第一段速度運行（50HZ），此前應對F0-046、047、048號參數進行設置，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定信號進行控制，在正常時用電流設定（4—20MA/DC），異常時自動改用電壓設定。即增設一只位器，在異常時用其來調整變頻器的輸出頻率。此時，使用X4端子功能，并對其FO-049號參數進行設置。
仍靠上述的監測電路來控制X4-COM通斷來達到目的。（具體的一些參數設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定，應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”和減速過快時的“空化現象”。
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，需要經常更換皮帶。而且煤渣多與少還與使用的煤質有很大的關系，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定為某一頻率（本例中為25HZ），這樣皮帶運行速度僅為常規運行方式的50%，大大減少了皮帶的磨損。如果在這一速度下運行時出現煤渣過多，可將速度適當加快。由于這樣的情況不經常發生，故采用重新設置變頻器上限頻率方式進行，或通過變頻器鍵盤的▲、▼鍵來調整頻率。
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，并在操作臺上設計有變頻器跳閘的聲光報警信號及變頻器復位按鈕。
四．應用效果
通過對變頻器在工業鍋爐上的應用，采用變頻器控制具有以下諸多優點：
1．采用變頻器控制電機的轉速，檔板和調節閥的機械磨損、卡死等故障將不復存在，節電效果顯著；
2．采用變頻器控制電機，實現了大電機的啟軟動，平滑啟動及轉機轉速下降，避免了對電網的沖擊，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速的狀態下運行，降低了噪聲對環境的影響；
4．具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護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施及環境；
6．自動控制爐膛負壓，減少人工操作因素；
7．采用工業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的運行情況，包括溫度、壓力、流量等其它參數；
因此，為了節約電能，提高鍋爐燃燒控制水平，增加經濟效益，采用變頻調速系統取代低效高能耗的風門檔板，已成為各鍋爐使用單位企業節能改造的重點。
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