PLC及變頻調(diào)速技術(shù)在油泵恒壓供油系統(tǒng)中的應用

摘要：根據(jù)鍋爐供油系統(tǒng)的要求，采用PLC與變頻調(diào)速技術(shù)對供油系統(tǒng)油泵啟、停機及油壓控制回路進行了改進，并在控制系統(tǒng)中引進了智能控制技術(shù)和數(shù)字PID在線控制技術(shù)。對系統(tǒng)壓力實時跟蹤及PID調(diào)節(jié)，進而達到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目的。

關鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓供油；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TF341 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0039-04

1 概述

目前，火力發(fā)電廠的鍋爐啟停及助燃均需依靠供油系統(tǒng)，即便在已經(jīng)裝設了等離子點火系統(tǒng)的鍋爐，也不能完全保證在所有工況下全部實現(xiàn)無油，因此，供油系統(tǒng)是火電機組必須設置而且極為重要的一套系統(tǒng)，一般發(fā)電廠供油系統(tǒng)與機組并不采用單元制方式，而是作為公用系統(tǒng)存在，其穩(wěn)定運行更與全廠機組安全密切相關。元寶山發(fā)電公司總裝機容量2100MW，擁有1×300MW+3×600MW共計4臺機組，每臺機組均配置16臺出力為2.5t/h的油槍。公用的供油系統(tǒng)配置三臺輕油泵，編號為4、5、6號（1、2、3號泵為重油泵，已取消）。原設計采用工頻運行方式，鍋爐燃油時兩臺油泵需同時運行，油壓調(diào)整由回油調(diào)節(jié)門控制，燃油母管壓力作為被調(diào)量。供油泵的設計參數(shù)見表1。

長期以來，鍋爐燃油時要求恒壓與回油壓力調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)質(zhì)量二者之間的矛盾越來越突出，經(jīng)常出現(xiàn)油壓波動較大、無法準確調(diào)節(jié)燃油壓力的現(xiàn)象，給鍋爐燃燒帶來很大隱患。曾經(jīng)在2號機組啟動過程中，鍋爐保持一臺磨煤機投粉運行，由于回油調(diào)節(jié)門突然失控，造成油壓由3.8MPa瞬間降至1.2MPa，油槍運行中突然滅火失去助燃作用，鍋爐發(fā)生爆燃事故。分析造成此類問題的原因主要有兩個：一是回油調(diào)節(jié)閥根據(jù)系統(tǒng)壓力進行調(diào)節(jié)，有時鍋爐燃油量變化較快，由此造成系統(tǒng)油壓變化大，回油調(diào)節(jié)閥經(jīng)對多年運行后存在內(nèi)漏現(xiàn)象，當油槍臺數(shù)多時，需要大幅度關閉閥門開度在1%～10%左右，而閥門調(diào)節(jié)動作時間按照線性規(guī)律調(diào)節(jié)，這樣即使閥門稍有動作，也會造成油壓的大幅波動，同時閥門動作指令接受油壓給定值與測量值偏差信號，較大的偏差信號要求較小的閥門開度來調(diào)節(jié)，由此出現(xiàn)調(diào)節(jié)振蕩現(xiàn)象。二是控制系統(tǒng)元件老化嚴重，調(diào)節(jié)回路動作遲緩，這也是造成回油調(diào)節(jié)閥無法達到調(diào)節(jié)品質(zhì)的一個重要原因。除此之外，原有的調(diào)節(jié)方式也給油區(qū)運行人員增加了額外工作量，由于回油調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏嚴重，往往閥門關閉后仍無法保證燃油壓力，需要運行人員手動操作回油調(diào)節(jié)閥前手動門，手動調(diào)整的結(jié)果一方面調(diào)節(jié)品質(zhì)更差，另一方面也存在誤操作的可能。由此可見，原有供油系統(tǒng)的油壓調(diào)節(jié)方式已經(jīng)無法保證機組的燃油要求。

鑒于上述原因，元寶山發(fā)電公司積極尋求更為合理的供油系統(tǒng)油壓調(diào)節(jié)方式，來保證機組的安全穩(wěn)定運行。近年來，變頻調(diào)速技術(shù)越來越廣泛應用到工業(yè)領域，這種新型成熟的交流電機無極調(diào)速技術(shù)，控制性能獨特、控制品質(zhì)優(yōu)良，同時兼具良好的節(jié)能效果，在石油儲運行業(yè)普遍應用。在多次實地調(diào)研的基礎上，元寶山發(fā)電有限責任公司決定大膽采用該項技術(shù)，并對油區(qū)輕油供油控制系統(tǒng)進行了改造，加裝了變頻器和智能控制設備，并對供油泵啟停控制及供油壓力調(diào)節(jié)回路重新進行了邏輯設計，經(jīng)過短期的完善過程，供油系統(tǒng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定運行狀態(tài)，改造后再未發(fā)生油壓大幅波動的現(xiàn)象，有利地保障了鍋爐的安全運行。

2 供油管路油壓調(diào)節(jié)原理

當鍋爐需要燃油時，先手動以變頻方式啟動一臺油泵，如達不到設定壓力，第二臺泵再啟動，并保證兩臺泵的頻率基本相同時，變頻調(diào)節(jié)器投入自動控制，兩臺變頻調(diào)節(jié)器接受人為設定油壓信號。一臺運行泵的電氣部分突然出現(xiàn)故障或者壓力異常下降時，停止故障油泵，另一臺油泵及時調(diào)節(jié)，并且聯(lián)動第三臺油泵在20秒的時間內(nèi)將壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定，在此期間供油系統(tǒng)只是瞬間小幅度波動，然后趨于穩(wěn)定。當油槍臺數(shù)變化使供油管路壓力變化時，系統(tǒng)實際壓力與給定壓力的偏差送至變頻調(diào)節(jié)器，變頻調(diào)節(jié)器改變輸出頻率，繼而改變油泵轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，保證恒壓供油。

改造后的操作界面具有人機對話功能，可隨時通過人機操作面板顯示電壓、電流、頻率、壓力等數(shù)據(jù)，便于運行人員監(jiān)視，運行人員也可以通過操作面板任意設定壓力調(diào)節(jié)定值。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)采用壓力變送器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，實現(xiàn)所需功能。圖3為3臺泵恒壓供油系統(tǒng)的電氣接線圖，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，該系統(tǒng)具有變頻控制和工頻控制兩套功能，使供油系統(tǒng)的安全保障性增強，配置更加科學、

合理。

3.1 壓力變送器

供油壓力變送器安裝在三臺供油泵出口母管，將測量得到的供油管路的油壓信號轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號，提供給PLC與變頻器。

3.2 變頻器

變頻器既是油泵電機的控制設備，也是油壓控制設備，能將設定油壓與實際油壓的偏差信號轉(zhuǎn)化為0～50Hz的頻率信號供給油泵電機，調(diào)整其轉(zhuǎn)速。變頻器功能強大，預置了多種應用宏，即預先編置好的參數(shù)集，應用宏將使用過程中所需設定的參數(shù)數(shù)量減小到最小，參數(shù)的缺省值依應用宏的選擇而不同。系統(tǒng)采用PID控制的應用宏，進行閉環(huán)控制。該宏提供了6個輸入信號：啟動/停止（D11、D15）、模擬量給定（A11）、實際值（A12）、控制方式選擇（Dn）、恒速（DB）、允許運行（D14）；3個輸出信號：模擬輸出（頻率）、繼電器輸出1（故障）、繼電器輸出2（運行）；DIP開關選擇輸入0～10V電壓或0～20mA電流值（系統(tǒng)采用電流值）。變頻器根據(jù)給定值A11和實際值A12，即根據(jù)恒壓時對應的電壓設定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號，利用PID控制宏自動調(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來調(diào)節(jié)所控制的油泵電機轉(zhuǎn)速，以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。

3.3 三臺供油泵控制

根據(jù)泵站供油實際情況與需求，利用3臺油泵分別由3臺變頻器來控制調(diào)節(jié)供油系統(tǒng)量大小，因此除改變油泵電機轉(zhuǎn)速外，還要通過增減運行泵的臺數(shù)來維持油壓恒定，當運行泵達到預設頻率而供油系統(tǒng)仍達不到恒壓要求時，則啟動預先的備用油泵運行，并且平穩(wěn)增加油壓，在盡短時間內(nèi)達到所需油量要求，并維持平穩(wěn)。反之，當變頻器輸出頻率降至最小，供油壓力仍過高時，要切除一臺運行泵。所以不僅需要開關量控制，還需數(shù)據(jù)處理能力，采用FX-4AD（4模擬量人）獲得模擬量信號。它在應用上的一個重要特征就是由PLC自動采樣，隨時將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，放在數(shù)據(jù)寄存器中，由數(shù)據(jù)處理指令調(diào)用，并將計算結(jié)果隨時放在指定的數(shù)據(jù)存儲器中。通過其可將壓力傳感器電流信號及變頻器輸出頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給PLC，與恒壓對應電流值、頻率上限、頻率下限（考慮到油泵電機在低速運行時軸承潤滑可靠，必須保證其頻率不低于21Hz，因此頻率上限設為工頻43Hz，下限設為21Hz）進行比較，實現(xiàn)泵的切換與轉(zhuǎn)速的變化。系統(tǒng)在設計時應使油泵在供油穩(wěn)壓過程中盡可能快，以保證供油的連續(xù)性，油壓波動盡可能小，從而提高供油質(zhì)量。

4 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件是指用梯形圖語言編制的對3臺泵進行控制的程序。它對3臺泵控制，主要解決系統(tǒng)的手動及自動切換、各元件和參數(shù)的初始化、信號及通訊數(shù)據(jù)的預處理、3臺泵的啟動、切換及停止的條件、順序、過程等問題。當變頻器輸出頻率達到頻率上限43Hz，供油壓力未達到預設值時，發(fā)出啟泵指令，投入下一臺泵供油。當供油壓力達到預設值，變頻器輸出頻率降到頻率下限21Hz時，發(fā)出停泵指令，切除運行中的一臺泵。系統(tǒng)剛啟動時，情況簡單，首先啟動一號泵即可。但考慮3臺泵聯(lián)合運行時情況復雜，必須預先設定增減油泵的順序。即獲得加泵信號后，按照4號泵、5號泵、6號泵的順序優(yōu)先考慮。獲得停泵信號后，按照6號泵、5號泵、4號泵的順序優(yōu)先考慮。

為增強系統(tǒng)運行的可靠性，系統(tǒng)還具有故障跳泵后自動補償功能，也就是三臺泵聯(lián)動狀態(tài)，當啟動運行的兩臺泵突然有一臺發(fā)生故障，另一臺泵可以立即啟動補償壓力，在啟停泵時同時設置了元件動作順序及延時，防止誤動作發(fā)生。系統(tǒng)切換泵流程見圖4：

5 系統(tǒng)參數(shù)的確定

變頻器根據(jù)供油設定壓力與實際壓力偏差調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，當運行參數(shù)遠離目標參數(shù)時，調(diào)節(jié)幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統(tǒng)達到一個動態(tài)平衡，維持系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。

6 控制方式

自動PID調(diào)節(jié)：使某（幾）臺變頻器處于自動方式，使其處于PID自動狀態(tài)，將供油壓力設定值調(diào)整到所需值，然后按相應的一個“變頻器啟動”按鈕，此時，變頻器即按照預置的控制策略運行。

手動PID控制：使某（幾）臺變頻器處于手動方式，將“變頻手動輸出”調(diào)整到所需頻率。按相應的變頻器啟動按鈕，此時，變頻器按照手動輸出頻率控制油泵運行。

脫機控制：使某臺或某幾臺變頻器處于手動方式（“變頻器自動/手動”開關置于“手動”位置）在變頻器的操作面板上進行控制。

在#4、#5、#6輕油供油變頻器柜加裝了手動控制設備，目的是在輕油供油自動控制設備出現(xiàn)嚴重故障而無法及時恢復正常狀態(tài)時，可以及時、快速投入該套手動控制設備，使用安裝在變頻器柜上的電位器進行壓力調(diào)整，滿足為機組正常供油需要。

7 參數(shù)修改

在控制柜顯示模塊上可以對現(xiàn)場參數(shù)設定、運行工況進行顯示。可以設定#1、#2、#3變頻器的運行參數(shù)，設定供油壓力，顯示供油總管壓力，顯示各變頻器的工作參

數(shù)等。

在其畫面6或畫面8顯示時，按F8+F2鍵，即可以進入?yún)?shù)修改狀態(tài)。第一個可修改的通用數(shù)以反襯形式顯示。此時，用F1、F7、F8、F3、F4鍵進行參數(shù)修改，用F5鍵或F6鍵取消或確定修改過程。

實例：修改壓力設定值（2500kPa）。

（1）切換到畫面6。

（2）按F8+F2鍵（進入?yún)?shù)修改狀態(tài)）。

（3）按F1鍵2次，此時“設定值”以反襯形式顯示為“/0/0/0/0/”，按F7鍵兩次，顯示為“/0/0/0/2/”。

（4）按F3鍵，顯示為“/0/0/2/0/”，按F7鍵5次，顯示為“/0/0/2/5/”，按F3鍵兩次，顯示為“/2/5/0/0/”，按F6鍵，確認輸入值。如果輸入有誤，按F5鍵取消此次操作。

8 存在問題

由于網(wǎng)管覆蓋面積較大，供油泵站海拔高度相對較低，遠端（特別是#3、#4機組）供油壓力要維持3MPa，在泵站出口油壓就必須維持4MPa。

管道中若存在空氣會導致油壓震蕩問題，因此必須保證管道的密閉性或管道檢修后將管道中的空氣排盡，才能投入正常供油運行。

9 運行效果

此次改造應用于元寶山發(fā)電有限責任公司供油系統(tǒng)的運行實際，改造范圍小，投入費用少。通過變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)替代了回油壓力調(diào)節(jié)，避免了油泵啟動瞬間對管路、閥門形成沖擊，實現(xiàn)了供油系統(tǒng)的恒壓調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可靠性及自動化程度得到很大提高，保證了鍋爐燃油期間的安全穩(wěn)定運行。而變頻代替工頻的運行方式，使泵運行軸功率降低30%左右，又取得一定的節(jié)能效果。

參考文獻

[1] 呂汀，石紅梅.變頻技術(shù)原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社.

作者簡介：王景虎（1977—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，內(nèi)蒙古赤峰市元寶山發(fā)電有限責任公司生產(chǎn)技術(shù)部工

程師。