DCS在風(fēng)機變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計

摘要：通過采用變頻技術(shù)和DCS穩(wěn)定的計算機控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)引送風(fēng)機轉(zhuǎn)速的改變控制風(fēng)量大小，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。把DCS系統(tǒng)融入到電子系統(tǒng)中，能夠有效提升電氣設(shè)施的工作效率，將會影響我國電力系統(tǒng)的自動化發(fā)展。文章就DCS在風(fēng)機變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計的相關(guān)問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：DCS；風(fēng)機變頻調(diào)速；節(jié)能降耗；應(yīng)用與設(shè)計 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH445 文章編號：1009-2374（2015）24-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.007

1 問題提出

公司5臺鍋爐（三用兩備），廠家：四川鍋爐廠，型號：CG220t/9.8。每臺鍋爐兩臺引風(fēng)機和兩臺送風(fēng)機，廠家：武漢鼓風(fēng)機廠，引風(fēng)機型號：LH-BR260SW（IDF），送風(fēng)機型號：LH-FR145D，變頻器型號為：ZINVERT-A8H1150/10Y。鍋爐DCS控制系統(tǒng)為FOXBRO公司的I/A控制系統(tǒng)。

鍋爐的引送風(fēng)機主要是進(jìn)行恒速運作，依靠風(fēng)門擋板的調(diào)節(jié)能夠控制風(fēng)量。但是恒速運轉(zhuǎn)的電動機驅(qū)動風(fēng)機，其自身就非常浪費資源。當(dāng)我們調(diào)節(jié)鍋爐的蒸發(fā)量、鍋爐的溫度以及鍋爐的壓力時，一定要記得及時調(diào)節(jié)風(fēng)門，讓其盡快適應(yīng)負(fù)荷的變化。通過擋板位置的改變來控制送風(fēng)量，風(fēng)機電機本身利用的能量沒有多大變化，電動機的軸輸出功率也幾乎沒變，這時我們就可以改變風(fēng)門來調(diào)節(jié)送風(fēng)量，進(jìn)而滿足鍋爐工作的需求，然而，這樣一來不僅會降低電能的利用率，還會增加額外的損耗。假如我們采用變速運作的模式，就會完成節(jié)能操控。

2 風(fēng)機DCS變頻調(diào)速系統(tǒng)改造方案

圖1 風(fēng)機DCS變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

2.1 變頻器與DCS接口

啟動變頻器（DI）：“遠(yuǎn)程控制”方式下，驅(qū)動變頻器啟動指令。信號需求為3秒脈沖。有“待機狀態(tài)”反饋后，變頻器才能接受執(zhí)行該命令。

停止變頻器（DI）：“遠(yuǎn)程控制”方式下，驅(qū)動變頻器停止指令。信號需求為3秒脈沖。該指令相當(dāng)于軟停，變頻器執(zhí)行該指令后，開始減速，減速至停止頻率后，自動停止輸出功率，并進(jìn)入“停止?fàn)顟B(tài)”和“待機狀態(tài)”等待下次啟動。

風(fēng)門/閥門位置反饋（DI）：在變頻器故障轉(zhuǎn)工頻率時，當(dāng)風(fēng)門或閥門關(guān)到設(shè)定值時，反饋給變頻的信號。信號需求為3秒脈沖。

工頻轉(zhuǎn)變頻（DI）：“遠(yuǎn)程控制”方式下、且控制柜門背面的“手動旁路/自動旁路”旋鈕進(jìn)行選擇“自動旁路”、“允許跳進(jìn)線開關(guān)”合上，“允許合進(jìn)線開關(guān)”合上，刀閘K1，K2合閘狀態(tài)下。

轉(zhuǎn)速給定（AI）：遠(yuǎn)程頻率給定。DC4～20mA信號4mA對應(yīng)1Hz，20mA對應(yīng)50Hz；

同步轉(zhuǎn)速反饋（AO）：當(dāng)前電機的同步轉(zhuǎn)速反饋，為理想空載轉(zhuǎn)速反饋。DC4～20mA信號，4mA對應(yīng)1Hz，20mA對應(yīng)50Hz；

輸出電流反饋（AO）：當(dāng)前電機定子電流反饋，為變頻電流。DC4～20mA信號，4mA對應(yīng)0安培，20mA對應(yīng)2倍的電機額定電流。因此DCS程序中，該電流量程應(yīng)設(shè)為2倍的電機額定電流。

輕故障（DO）：控制回路加電后變頻器循環(huán)自檢后的結(jié)果反饋。若運行時發(fā)生“輕故障”信號，表示變頻器發(fā)生輕微故障，但是照常輸出功率，若停止時發(fā)生，表示設(shè)備有輕微故障未被排除，但不影響啟動和運行

操作。

重故障（DO）：控制回路加電后變頻器循環(huán)自檢后的結(jié)果反饋。若運行時發(fā)生“重故障”信號，“運行”狀態(tài)信號隨即丟失，則變頻器立即封鎖控制脈沖并停止輸出功率，并進(jìn)入待機重啟的程序，在設(shè)定的時間內(nèi)（默認(rèn)5秒），多次伺機自動重啟。若重啟成功后，變頻器重新輸出功率，“重故障”信號立刻消失，“運行狀態(tài)”信號隨即重現(xiàn)。

待機狀態(tài)（DO）：給變頻器送高壓后，單元中電容直流電壓>65%后，該信號自動產(chǎn)生，表示變頻器等待接收“啟動”指令。運行狀態(tài)輸出功率時，“待機狀態(tài)”立刻消失。

運行狀態(tài)（DO）：變頻器工作在輸出功率狀態(tài)。運行過程中，“重故障”產(chǎn)生時，“運行狀態(tài)”信號會

丟失。

停止?fàn)顟B(tài)（DO）：變頻器沒有輸出功率的狀態(tài)。運行過程中，“重故障”自動消失時，“停止?fàn)顟B(tài)”會

消失。

工頻狀態(tài)（DO）：指旁路柜中隔離刀閘、接觸器等開關(guān)設(shè)備的組合狀態(tài)，均分合到了工頻位置。與“變頻狀態(tài)”信號相反。

變頻狀態(tài)（DO）：指旁路柜中隔離刀閘、接觸器等開關(guān)設(shè)備的組合狀態(tài)，均分合到了變頻位置。與“工頻狀態(tài)”信號相反。

遠(yuǎn)程控制（D0）：遠(yuǎn)方可以驅(qū)動變頻器的“啟動”、“停止”、“急停”、“復(fù)歸”、“變頻轉(zhuǎn)工頻”、“工頻轉(zhuǎn)變頻”指令。頻率給定方式不受此

控制。

就地控制（DO）：變頻器現(xiàn)場可以驅(qū)動變頻器的“啟動”、“停止”、“急停”、“復(fù)歸”、“變頻轉(zhuǎn)工頻”、“工頻轉(zhuǎn)變頻”指令。頻率給定方式不受此

控制。

關(guān)風(fēng)門/閥門信號：（DO）：變頻器在故障停機，自動轉(zhuǎn)到工頻時通知用戶關(guān)風(fēng)門/閥門信號，最長一分鐘的脈沖信號，或當(dāng)接收到風(fēng)門/閥門位置反饋信號，此信號就會消失。

2.2 風(fēng)機自動旁路柜的接線方案

圖2 風(fēng)機變頻電氣一次接線原理圖

該方案由3個真空接觸器J1、J2、J3以及2個高壓隔離開關(guān)K1、K2組成，其中J1、J2、J3為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的切換。K1和K2為高壓隔離開關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器及真空斷路器檢修時拉開，用于電機工頻運行情況下對變頻器及真空接觸器進(jìn)行安全檢修；并且J1、J2與J3電氣互鎖，防止電機同時工/變頻運行。QS為原風(fēng)機電機高壓斷路器。變頻器功率單元柜由15個功率單元組成，每5個功率單元串聯(lián)組成一相，三相Y型連接。當(dāng)其中某一相某個功率單故障時，同時切除其他兩相對應(yīng)功率單元，不影響引風(fēng)機的正常運行。

同時，為了保證引風(fēng)機電機及變頻器安全、可靠、長周期運行，系統(tǒng)還設(shè)置有下列聯(lián)鎖保護(hù)。

變頻器啟動允許條件：風(fēng)機高壓斷路器合閘條件保持原有條件不變，變頻器啟動允許條件為變頻器備妥及風(fēng)機入口擋板關(guān)閉，變頻器備妥包括變頻器無重故障報警，K1、J1和K2、J2合閘，高壓斷路器已合閘。

高壓斷路器能夠合閘的條件：就是變頻器需要保持待機狀態(tài)，這樣就能進(jìn)一步表明變頻器的自我檢查符合要求，能夠進(jìn)行高壓操控。這個接點處需要與高壓開關(guān)的合閘進(jìn)行串聯(lián)，完成后才能進(jìn)行合閘。這個接點只有在閉合時才能正常工作。

工頻高壓斷路器的分閘處理：小車的位置發(fā)出有效信號后，接點處進(jìn)行閉合，這樣高壓斷路器就已經(jīng)完成分閘，而高壓斷路器進(jìn)行合閘時，這個接點就會斷開。這個接點需要是無源的干接點。

緊急情況下的高壓分?jǐn)啵哼@種情況發(fā)生的前提是變頻器出現(xiàn)了重大問題無法正常工作，變頻器就會自動運用斷路器QS進(jìn)行高壓分?jǐn)唷４颂幗狱c會與高壓斷路器的分閘進(jìn)行連接，閉合接點之后就要分閘。

3 節(jié)能分析

3.1 直接經(jīng)濟效益

根據(jù)風(fēng)機平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式：P/P0=（n/n0）3計算，式中P0為額定轉(zhuǎn)速N0時的功率，P為轉(zhuǎn)速n時的功率。以一臺鍋爐使用的900kW引風(fēng)機為例，運行工況為一天24小時連續(xù)運行，其中每天11小時運行在90%負(fù)荷（頻率按46Hz計算，擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負(fù)荷（頻率按20Hz計算，擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按70%計算），全年運行時間在300天為計算依據(jù)。

則每臺引風(fēng)機變頻調(diào)速運行時，每年的節(jié)電量為：

W1=900×11×[1-（46/50）3]×300=657296.64kW·h

W2=900×13×[1-（20/50）3]×300=3285360kW·h

Wb=W1+W2=657296.64+3285360=3942656.64kW·h

擋板開度時的節(jié)電量為：

W1=900×（1-98%）×11×300=59400kW·h

W2=900×（1-70%）×13×300=1053000kW·h

Wd=W1+W2=59400+1053000=1112400kW·h

相比較節(jié)電量為：Wb-Wd=2830256.64kW·h

每度電按0.4元計算，則采用變頻調(diào)速每年每臺引風(fēng)機可節(jié)約電費113.2103萬元。

3.2 間接收益

首先，可以促進(jìn)電機的軟啟動，能夠減少頻繁操作引發(fā)的電機絕緣能力下降，進(jìn)而增加電機的使用周期。

其次，能夠運用變頻調(diào)節(jié)讓擋板全部打開，降低了能量損耗，完成勻速運轉(zhuǎn)，符合峰值的要求，減少了電能損耗。

再次，由于負(fù)荷減少導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變小，進(jìn)而降低了機械摩擦損耗，可以適當(dāng)推遲風(fēng)機的維修時間，降低了維修成本。

最后，這樣還能實現(xiàn)高準(zhǔn)確度的控制，提升抵抗干擾的能力，針對突發(fā)狀況能夠?qū)嵤┫鄳?yīng)的保護(hù)，確保電機以及風(fēng)機的穩(wěn)定工作。

4 結(jié)語

最近幾年，我國的經(jīng)濟飛速發(fā)展，社會對電力行業(yè)的需求越來越高，電力供求之間出現(xiàn)了不平衡，我國很多地區(qū)都進(jìn)行了限制用電、拉閘進(jìn)行節(jié)能。人們重視節(jié)能主要是因為節(jié)能不僅可以推動生產(chǎn)，減少資金投入比例，還能提升經(jīng)濟效益。對于使用電力資源的我們來說，首先考慮的就是如何采取措施完成節(jié)能操作。經(jīng)過一系列研究我們可以發(fā)現(xiàn)，DCS控制體系能夠?qū)崿F(xiàn)對電氣設(shè)備的操控，這樣可以完善電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電能的統(tǒng)一節(jié)能管理。把DCS系統(tǒng)融入到電子系統(tǒng)中，能夠有效提升電氣設(shè)施的工作效率，將會影響我國電力系統(tǒng)的自動化發(fā)展。

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作者簡介：張增豪（1981-），男，廣西人，供職于廣西華銀鋁業(yè)公司計控部。

（責(zé)任編輯：周 瓊）