基于PLC的電廠恒壓變頻供水改造設(shè)備
基于PLC的電廠恒壓變頻供水改造設(shè)備
一、前言
在發(fā)電廠中給水泵電機容量一般較大，實際運行時間長，且起動后一直以工頻狀態(tài)運行，電機均處于滿負荷狀態(tài)，因此屬于耗電量較大的電氣設(shè)備，它的能耗指標(biāo)直接影響著發(fā)電廠的經(jīng)濟效益，而給水自動化控制是整個自動化系統(tǒng)的重要組成部分。眾所周知，對于風(fēng)機、水泵類平方轉(zhuǎn)矩負載，可以通過改變電機轉(zhuǎn)速來滿足生產(chǎn)對給水流量變化的控制要求，而當(dāng)其轉(zhuǎn)速下降時，所消耗的功率也大大下降。因此，節(jié)能潛力非常大，既能達到節(jié)能降耗的顯著效果，又能滿足鍋爐給水恒壓控制的工藝要求，還能降低對系統(tǒng)的沖擊，減少機械的磨損。
眾所周知，對于風(fēng)機、水泵類平方轉(zhuǎn)矩負載，可以通過改變電機轉(zhuǎn)速來滿足生產(chǎn)對給水流量變化的控制要求，而當(dāng)其轉(zhuǎn)速下降時，所消耗的功率也大大下降。因此，節(jié)能潛力非常大，既能達到節(jié)能降耗的顯著效果，又能滿足鍋爐給水恒壓控制的工藝要求，還能降低對系統(tǒng)的沖擊，減少機械的磨損。
因此，可以認為給水泵引入交流調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)較大幅度地降低能耗指標(biāo)，通過準(zhǔn)確、合理的測量、監(jiān)控，以負反饋形式實現(xiàn)控制。它既保留了常規(guī)設(shè)計的設(shè)備操作簡單、耐用，而又增加了新系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、先進性，系統(tǒng)可操作性強，節(jié)能且安全的效果，完全符合了設(shè)備改造要求，是較為理想基礎(chǔ)控制模塊。
二、電廠恒壓變頻供水改造設(shè)備節(jié)能改造控制系統(tǒng)方案
恒壓變頻供水改造設(shè)備鍋爐給水電氣控制系統(tǒng)主要是控制給水流量（如圖1所示），使其與鍋爐蒸汽量保持動態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，保證鍋爐安全、可靠、經(jīng)濟如運行。
本恒壓變頻供水改造設(shè)備所涉及一次主設(shè)備主要是五臺給水泵和三臺變頻器（如圖2所示），在日常工作中一般采用“二用一備”的運行模式，所謂“二用”是指二臺給水泵以變頻方式在鍋爐日常運行過程中提供穩(wěn)定的給水量。而“一備”是第三臺給水泵也以變頻“明備”在線方式，當(dāng)系統(tǒng)上水需求量超過“二用”給水泵所能提供的最大流量時即兩臺變頻器輸出頻率均升至50Hz時，“一備”以自動或手動的方式并入系統(tǒng)提供足夠大的給水流量，滿足鍋爐的安全、可靠運行，而當(dāng)系統(tǒng)上水量需求量下降時，又可以按需退出運行，恢復(fù)“一備”狀態(tài)。而剩余的二臺給水泵則以工頻“暗備”方式待用，可以在變頻系統(tǒng)故障下，替代故障設(shè)備恢復(fù)設(shè)備供水，保證系統(tǒng)安全運行。
該電廠恒壓變頻供水改造的方案為“二用一備”的運行模式，也就是說：二臺給水泵以變頻方式在鍋爐日常運行過程中提供穩(wěn)定的給水量，第三臺給水泵也以變頻“明備”在線方式，當(dāng)系統(tǒng)上水需求量超過“二用”給水泵所能提供的最大流量時即兩臺變頻器輸出頻率均升至5OHz時，“一備”以自動或手動的方式并入系統(tǒng)提供足夠大的給水流量，滿足鍋爐的安全、可靠運行，而當(dāng)系統(tǒng)上水量需求量下降時，又可以按需退出運行，恢復(fù)“一備”狀態(tài)。
而剩余的二臺給水泵則以工頻“暗備”統(tǒng)故障下，替代故障設(shè)備恢復(fù)設(shè)備供水，方式待用，可以在變頻系保證系統(tǒng)安全運行。
三、電廠恒壓變頻供水改造鍋爐給水的典型工藝控制模式
根據(jù)該電廠整個系統(tǒng)所涉主設(shè)備分布情況，以及在實際應(yīng)用過程中運行要求，主要采用了兩個典型工藝控制模式：
（l）以各臺給水泵及其附屬設(shè)施組成壓力控制塊，即＃l～＃5給水泵M13～M53、出口閥門M12～M52及相應(yīng)的控制元器件組成壓力控制的基本單元（如圖3所示）。
（2）以給水調(diào)節(jié)閥J14～J34及其附屬設(shè)施為主的控制單元組成流量控制塊（如圖4所示）。由此形成了二個不同的給水模式，即單元制給水和母管制給水方式。
四、改造效果
本次恒壓變頻供水改造設(shè)備是由給水泵、變頻器、可編程控制器、各類遠傳壓力\流量傳感器、電動閥門、電動執(zhí)行機構(gòu)等相關(guān)電氣控制部件組成的電氣控制系統(tǒng)，是一套具有變頻調(diào)速、全自動閉環(huán)控制功能的機電一體化控制系統(tǒng)，可以保證鍋爐給水系統(tǒng)安全、準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定地運行。
目前，該恒壓變頻供水改造設(shè)備建造完成并投入運行，經(jīng)過一段時間運行后相對于一般常規(guī)的設(shè)計具有以下幾個特點：
4.1節(jié)能效益高
由于采用了高效變頻驅(qū)動，因此具有很高的節(jié)能空間，其節(jié)能效益主要來自于兩個方面：（l）由流體力學(xué)可知，電機功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速可成比例下降，而此時軸輸出功率成立方關(guān)系下降，即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近擬成立方比的關(guān)系下降，此為節(jié)能的第一部分。（2）使用變頻調(diào)速后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，功率因數(shù)接近于1，從而大大減少了無功損耗，工作電流比電機額定電流值要低許多，降低了消耗的有功功率。
經(jīng)過實測系統(tǒng)改造前鍋爐給水噸水耗電能5.567度，改造后噸耗電能3.410度，單位節(jié)電率達38.75％。
如果按日均鍋爐上水1500噸計算，則：
日均節(jié)電（度）=1500*（5.567-3.410）=3235.5度；
年均節(jié)電（度）=330*3235.5=1067715度。
4.2主設(shè)備完好率提高，生產(chǎn)成本降低，使用壽命增加
電動機實現(xiàn)了真正的軟啟動、軟停運。變頻器提供給電機的峰值電流和峰值時間大為減少，可消除對負載的沖擊、減少對電機絕緣的損傷，延長了電動機、水泵的使用壽命，同時變頻器設(shè)置的共振點跳轉(zhuǎn)頻率，避免了水泵處于共振點運行的可能性，使水泵工作平穩(wěn)、軸承磨損減少、啟動平滑、消除了機械的沖擊力，提高了設(shè)備的使用壽命，此為主設(shè)備完好率提高、生產(chǎn)成本降低、使用壽命增加原因之一。
變頻器其自身完善的保護功能，相對于一般電氣保護，保護功能更多、更靈敏，特別是過載、過流及短路保護等，其動作值準(zhǔn)確、動作時間短，大大加強了對電氣設(shè)備特別是對電機、電纜的保護，此為主設(shè)備完好率提高、生產(chǎn)成本降低、使用壽命增加原因之二。
低負荷下，轉(zhuǎn)速主動降低，減少了機械部分的磨損和振動，延長了設(shè)備大修周期，可節(jié)省大量的檢修人力和物力，同時變頻調(diào)節(jié)實現(xiàn)了閥門全開，減少了閥門節(jié)流損失。此為主設(shè)備完好率提高、生產(chǎn)成本降低、使用壽命增加原因之三。
4.3一鍵化操作、控制界面友好、可控性好
由于系統(tǒng)采用DCS給合PLC技術(shù)，有效地提高系統(tǒng)運算速度，以負反饋閉環(huán)形式優(yōu)化控制過程，使控制更加準(zhǔn)確可靠，并最大程度地減少人為干擾，以觸摸屏實時監(jiān)控設(shè)備運行參數(shù)及狀態(tài)，運行過程透明，直觀，可控性好。
4.4群控聯(lián)鎖
恒壓變頻供水改造設(shè)備對所有在線單機均能以群控聯(lián)鎖方式工作，在全自動、半自動狀態(tài)下，實現(xiàn)給水母管低水壓自起動、自動并列平穩(wěn)運行。并能對各種極限條件予以確認、報警，并按程序要求自主處理。
4.5后備保護完善
恒壓變頻供水改造設(shè)備系統(tǒng)所有單機均能實現(xiàn)工/變頻聯(lián)鎖、故障報警、自動切換、失壓自起動、失電恒速保護、輸出頻率超高、過低保護等一系列運行過程中各極限狀態(tài)下的后備保護。
4.6系統(tǒng)的傳承性、一致性好
恒壓變頻供水改造設(shè)備系統(tǒng)的升級改造均建立在保持常規(guī)設(shè)計所應(yīng)具有的優(yōu)點基礎(chǔ)上，給合了小型化、高速化、精確化、模塊化特點進行了優(yōu)化。因此系統(tǒng)具有常規(guī)操作系統(tǒng)的優(yōu)點及相關(guān)保護功能：如系統(tǒng)相應(yīng)的過載、失電、欠壓、過流、在線/非在線互鎖等功能。
4.7無縫對接
恒壓變頻供水改造設(shè)備系統(tǒng)能夠與上位集控中心實現(xiàn)無縫對接，將給水電氣系統(tǒng)納入整個鍋滬控制范疇，并將各類運行參數(shù)實時上傳至集控畫面，輕松實現(xiàn)遠程啟停，參數(shù)顯示/調(diào)整，故障報警處理，復(fù)歸等。
本恒壓變頻供水改造設(shè)備在設(shè)計和運行過程中，充分體現(xiàn)了閉環(huán)控制理論的先進性、變頻調(diào)速的節(jié)能性，并理論與實際充分給合，不但免去了許多繁瑣分步操作，降低了故障隱患，而且使系統(tǒng)始終處于節(jié)能狀態(tài)運行，延長了設(shè)備的使用壽命，減少了維修工作量和維修成本，更好地適應(yīng)了生產(chǎn)的需要。
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