基于PLC的電廠恒壓變頻供水改造設備
基于PLC的電廠恒壓變頻供水改造設備
一、前言
在發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運行，電機均處于滿負荷狀態，因此屬于耗電量較大的電氣設備，它的能耗指標直接影響著發電廠的經濟效益，而給水自動化控制是整個自動化系統的重要組成部分。眾所周知，對于風機、水泵類平方轉矩負載，可以通過改變電機轉速來滿足生產對給水流量變化的控制要求，而當其轉速下降時，所消耗的功率也大大下降。因此，節能潛力非常大，既能達到節能降耗的顯著效果，又能滿足鍋爐給水恒壓控制的工藝要求，還能降低對系統的沖擊，減少機械的磨損。
眾所周知，對于風機、水泵類平方轉矩負載，可以通過改變電機轉速來滿足生產對給水流量變化的控制要求，而當其轉速下降時，所消耗的功率也大大下降。因此，節能潛力非常大，既能達到節能降耗的顯著效果，又能滿足鍋爐給水恒壓控制的工藝要求，還能降低對系統的沖擊，減少機械的磨損。
因此，可以認為給水泵引入交流調速能夠實現較大幅度地降低能耗指標，通過準確、合理的測量、監控，以負反饋形式實現控制。它既保留了常規設計的設備操作簡單、耐用，而又增加了新系統的準確性、先進性，系統可操作性強，節能且安全的效果，完全符合了設備改造要求，是較為理想基礎控制模塊。
二、電廠恒壓變頻供水改造設備節能改造控制系統方案
恒壓變頻供水改造設備鍋爐給水電氣控制系統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平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內，保證鍋爐安全、可靠、經濟如運行。
本恒壓變頻供水改造設備所涉及一次主設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，當系統上水需求量超過“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提供足夠大的給水流量，滿足鍋爐的安全、可靠運行，而當系統上水量需求量下降時，又可以按需退出運行，恢復“一備”狀態。而剩余的二臺給水泵則以工頻“暗備”方式待用，可以在變頻系統故障下，替代故障設備恢復設備供水，保證系統安全運行。
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定的給水量，第三臺給水泵也以變頻“明備”在線方式，當系統上水需求量超過“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提供足夠大的給水流量，滿足鍋爐的安全、可靠運行，而當系統上水量需求量下降時，又可以按需退出運行，恢復“一備”狀態。
而剩余的二臺給水泵則以工頻“暗備”統故障下，替代故障設備恢復設備供水，方式待用，可以在變頻系保證系統安全運行。
三、電廠恒壓變頻供水改造鍋爐給水的典型工藝控制模式
根據該電廠整個系統所涉主設備分布情況，以及在實際應用過程中運行要求，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）以給水調節閥J14～J34及其附屬設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、電動執行機構等相關電氣控制部件組成的電氣控制系統，是一套具有變頻調速、全自動閉環控制功能的機電一體化控制系統，可以保證鍋爐給水系統安全、準確、可靠、穩定地運行。
目前，該恒壓變頻供水改造設備建造完成并投入運行，經過一段時間運行后相對于一般常規的設計具有以下幾個特點：
4.1節能效益高
由于采用了高效變頻驅動，因此具有很高的節能空間，其節能效益主要來自于兩個方面：（l）由流體力學可知，電機功率與轉速的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速可成比例下降，而此時軸輸出功率成立方關系下降，即水泵電機的耗電功率與轉速近擬成立方比的關系下降，此為節能的第一部分。（2）使用變頻調速后，由于變頻器內部濾波電容的作用，功率因數接近于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。
經過實測系統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，單位節電率達38.75％。
如果按日均鍋爐上水1500噸計算，則：
日均節電（度）=1500*（5.567-3.410）=3235.5度；
年均節電（度）=330*3235.5=1067715度。
4.2主設備完好率提高，生產成本降低，使用壽命增加
電動機實現了真正的軟啟動、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，同時變頻器設置的共振點跳轉頻率，避免了水泵處于共振點運行的可能性，使水泵工作平穩、軸承磨損減少、啟動平滑、消除了機械的沖擊力，提高了設備的使用壽命，此為主設備完好率提高、生產成本降低、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，其動作值準確、動作時間短，大大加強了對電氣設備特別是對電機、電纜的保護，此為主設備完好率提高、生產成本降低、使用壽命增加原因之二。
低負荷下，轉速主動降低，減少了機械部分的磨損和振動，延長了設備大修周期，可節省大量的檢修人力和物力，同時變頻調節實現了閥門全開，減少了閥門節流損失。此為主設備完好率提高、生產成本降低、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
由于系統采用DCS給合PLC技術，有效地提高系統運算速度，以負反饋閉環形式優化控制過程，使控制更加準確可靠，并最大程度地減少人為干擾，以觸摸屏實時監控設備運行參數及狀態，運行過程透明，直觀，可控性好。
4.4群控聯鎖
恒壓變頻供水改造設備對所有在線單機均能以群控聯鎖方式工作，在全自動、半自動狀態下，實現給水母管低水壓自起動、自動并列平穩運行。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備系統所有單機均能實現工/變頻聯鎖、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下的后備保護。
4.6系統的傳承性、一致性好
恒壓變頻供水改造設備系統的升級改造均建立在保持常規設計所應具有的優點基礎上，給合了小型化、高速化、精確化、模塊化特點進行了優化。因此系統具有常規操作系統的優點及相關保護功能：如系統相應的過載、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備系統能夠與上位集控中心實現無縫對接，將給水電氣系統納入整個鍋滬控制范疇，并將各類運行參數實時上傳至集控畫面，輕松實現遠程啟停，參數顯示/調整，故障報警處理，復歸等。
本恒壓變頻供水改造設備在設計和運行過程中，充分體現了閉環控制理論的先進性、變頻調速的節能性，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，而且使系統始終處于節能狀態運行，延長了設備的使用壽命，減少了維修工作量和維修成本，更好地適應了生產的需要。
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