電鍋爐負荷波動分析與穩定控制

2018-06-11 06:06:18唐新安康承希

現代礦業 2018年5期

唐新安康承希

(1.贊比亞中色盧安夏礦業有限公司；2.南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司)

隨著贊比亞電力供應日趨緊張，電網公司開始嚴格限制各企業用電負荷，并削減了所有企業的部分用電負荷，企業為此紛紛減產，甚至關停部分設備。贊比亞中色盧安夏礦業有限公司被迫關停了BALUBA井下礦和與其配套的選礦廠，僅留下濕法廠繼續生產，而且被要求嚴格控制負荷，不得超過規定負荷配額。為此，濕法廠嚴格控制用電負荷模式。

在實施負荷控制過程中，除了停用部分非必要負載外，發現全廠用電負荷波動非常大，總負荷波動達2 MW左右，給控制負荷穩定帶來一定的困難。同時，因為負荷波動太大，不利于生產的有序運行，給準確申報用電負荷帶來困難；同時由于用電負荷波動太大，導致用電需量增加、電價提高，影響企業的經濟效益。因此，控制并穩定用電負荷意義重大。

目前，根據實現目的不同，國內有多種電鍋爐自動控制方式，如利用溫度或壓力參數采用PID控制方式、采用模糊控制技術、簡單的加熱率控制等[1]，這些電鍋爐控制方式雖然能實現一些運行參數的穩定，但并不能達到控制并穩定電鍋爐負荷的目的。為此，本文采用了簡單實用的電鍋爐恒功率控制方式，不僅達到了減小電鍋爐負荷波動的目的，而且可根據生產工藝參數的變化，隨時掌控電鍋爐的實際功率，使生產工藝運行處于最佳狀態。

1 電鍋爐負荷波動原因分析

在實施負荷控制過程中，通過查找發現，全廠用電負荷波動大，主要是由電鍋爐負荷波動造成，僅電鍋爐負荷波動就達到了1.5 MW左右。因此，解決電鍋爐負荷波動問題是解決全廠用電負荷波動大的關鍵。經過詳細分析發現，電鍋爐負荷波動大，與電鍋爐采用的加熱率控制方式有關。因電鍋爐采用加熱率控制方式，使得電鍋爐負荷受兩個因數影響而不穩定。其中電鍋爐負荷波動大的主要原因是電網電壓波動大且波動頻繁；其次，電鍋爐采用加熱率控制方式，不能保證電鍋爐負荷的恒定。雖然電鍋爐的加熱率不變，但電鍋爐的實際負荷卻有可能發生變化，電鍋爐加熱率不能反映電鍋爐實際投入的加熱管數量，即實際加熱功率。

1.1 電網電壓波動對電鍋爐負荷的影響

通過此次實施的負荷控制工作，發現贊比亞由于電力技術落后，其電網電壓不穩定，不僅波動大且上下波動范圍可達10%(低壓380 V電網)，而且波動十分頻繁。此外，其電網頻率也波動嚴重，每年高壓繼電保護裝置都會發生幾次低周跳閘。

由于電鍋爐采用的是加熱率控制方式，設定好加熱率后，投入的加熱管數量一定，即電阻R一定。電鍋爐是純電阻性負載，根據功率計算公式P=U2/R，對于純電阻負載，其功率與電壓的平方成正比。因此，電壓波動必然造成電鍋爐實際功率的波動，即負荷波動。電鍋爐總負荷波動達1.5 MW左右，除了因為電網電壓波動大外，還與電鍋爐的負載基數比較大有關。濕法廠有5臺電鍋爐，每臺電鍋爐額定功率為6 MW，總計30 MW，所以電鍋爐總負荷受電壓波動的影響也就變得頗為明顯。

1.2 加熱率控制方式對電鍋爐負荷的影響

加熱率控制方式存在實際加熱率不能反映電鍋爐實際負荷的問題，即加熱率并未真實反映出實際投入的加熱管數量[2]。電鍋爐采用加熱率控制，即設定好加熱率后，投入運行的加熱管數量一定。每兩根加熱管為一組，兩個加熱管的接觸器輔助觸點串聯作為運行反饋信號，用于統計實際加熱率。加熱率之所以不能反映出實際投入的加熱管數量，主要存在兩種情況：①兩個加熱管均發生短路，導致一組(兩個)接觸器主觸頭都燒死故障，此時空開已經跳閘，加熱管沒有工作，但由于接觸器輔助觸點因主觸頭燒死而仍然閉合，導致多統計了2%的加熱率；②一個加熱管短路，此時空開和接觸器均分閘，而另一根加熱管仍在運行，雖然仍有一根加熱管參與了加熱，但加熱率仍然減二，少統計了2%的加熱率。

綜合上述分析可知，電鍋爐加熱率控制方式不能實現控制電鍋爐負荷穩定的目的。要想減小電鍋爐的負荷波動幅度，使電鍋爐負荷相對穩定，必須改變電鍋爐的控制方式，以降低電鍋爐負荷受電網電壓波動的影響。同時，也可解決因接觸器故障導致加熱率不能正確反映電鍋爐實際投入的加熱管數量的問題。

2 電鍋爐恒功率控制設計改造

為降低電鍋爐負荷受電網電壓的影響，使電鍋爐負荷在一個較小的范圍內波動，提出了電鍋爐恒功率控制方案。即在電網電壓高時降低電鍋爐加熱率，在電網電壓低時，提高電鍋爐加熱率，使電鍋爐的功率在一個小范圍內恒定不變。為了確保電鍋爐運行安全可靠，采用以恒功率控制為主，以加熱率控制和比例控制為輔的控制方式。

2.1 電鍋爐實時功率采集

要實現電鍋爐恒功率控制，根據現有條件無法實現，需要對電鍋爐的實際功率進行采集，因此需要增加相關硬件。采集電鍋爐實際功率有兩種方案：一是增加功率變送器；二是利用進線柜已有的智能配電綜合監控單元PDM-810PLV-DP，由于PDM-810PLV-DP支持Profibus通訊，可采用通訊方式采集電鍋爐的實際功率。不論哪種方式，均需增加硬件設備，并對PLC程序控制邏輯進行重新設計，編寫控制程序。前期，首先利用了功率變送器來采集實時功率。后期，為了采集電鍋爐進線柜各相電壓和電流，又實施了Profibus DP通訊改造，通過通訊采集各相電壓、電流和實時功率等運行數據。

2.1.1 采用功率變送器采集電鍋爐實時功率

在電鍋爐配電室進線開關柜內增加功率變送器，用于測量電鍋爐的實時功率。電鍋爐房進線開關柜電流互感器為5000/5A，選用功率變送器型號為PA-26-4-A2-V2-O3-P3-C4。三相四線制，輸入相電壓測量范圍0～250 V，輸入相電流測量范圍0～5 A，輸出信號4～20 mA。該功率變送器滿量程輸出功率為3 300 kW，即功率變送器輸出4～20 mA信號，對應實際功率為0～3 300 kW。

根據功率變送器外部端子圖完成進線柜內電氣線路接線，并將4～20 mA信號接至PLC，功率變送器外部端子圖見圖1。PLC模擬量模塊為6ES7 331-7KF02-0AB0，由于有空余通道，仍采用原來的模塊，并將最后兩個通道PIW268和PIW270分別作為I段進線柜和II段進線柜功率測量通道，需在硬件設置處將最后兩個通道改為四線制模式。

圖1 功率變送器外部端子圖

2.1.2 采用Profibus DP通訊方式采集電鍋爐電流、電壓和實時功率

敷設智能配電綜合監控單元PDM-810PLV-DP到PLC控制器之間的DP通訊電纜，并接好線。然后，在Step7程序硬件配置里安裝PDM-810的GSD文件，安裝好后，將監控單元PDM-810拖到DP總線上，并設置好其地址、波特率和通訊方式。智能配電綜合監控單元PDM-810PLV-DP的DP通訊信息說明見表1。采用通訊方式的優勢是可以同時將各相的實時電壓和電流一并采集，有利于對電鍋爐的運行數據進行實時監視。

表1 PDM-810PLV-DP的DP通訊信息表

2.2 功率采樣值工程值轉換及異常處理

在Step7程序內，功率模擬量轉換使用命令FC105[3]，功率測量邏輯控制程序流程見圖2。注意中間變量M3.1和M3.2，如果功率變送器出現故障，如斷線或變送器壞導致無測量結果，則M3.1和M3.2將置1，并在后面程序中將恒功率控制自動切換到加熱率控制模式。

圖2 功率測量邏輯控制程序流程

2.3 電鍋爐邏輯控制方式確定

為保證電鍋爐安全可靠運行，當電鍋爐內壓力大于360 kP時，仍采用自動比例控制模式。自動比例控制模式，即根據電鍋爐實際蒸汽壓力大小，按事先設定的加熱率運行。即：若Pr測>380 kP，則自動設定加熱率為0，電鍋爐停止加熱；若Pr測>376 kP，自動設定電鍋爐加熱率為40；若Pr測>372 kP，自動設定電鍋爐加熱率為50；若Pr測>368 kP，自動設定電鍋爐加熱率為60；若Pr測>364 kP，自動設定電鍋爐加熱率為70。自動比例控制邏輯流程見圖3。

圖3 自動比例控制邏輯流程

當電鍋爐內壓力小于360 kP時，可人為選擇恒功率控制或加熱率控制，以選擇恒功率控制為主，當采用恒功率控制方式時，若出現功率測量故障，則自動切換至加熱率控制方式。

2.4 恒功率控制邏輯設計

恒功率控制是以電鍋爐的實際加熱功率為控制目標。設定電鍋爐加熱功率(P設)主要根據加熱的礦漿溫度來確定，同時需結合總負荷的控制目標。因為每個加熱管的額定功率為60 kW，雖然每個加熱管的實際功率受電壓波動而變化，在此仍以60 kW為一個計數單元。當電鍋爐設定加熱功率后，PLC會將設定功率值和測量功率反饋值(P測)做比較，并根據比較結果發出合閘或分閘命令。如果功率設定值P設大于實際功率P測，則PLC發出投加熱管命令，直到P設-P測<60 kW；如果功率設定值P設小于實際功率P測，則PLC發出退加熱管命令，直到P設-P測>-60 kW；如果-60 kW

當電鍋爐設定加熱功率與實際功率達到平衡后，若出現電網電壓升高，使P設-P測<-60 kW，則PLC發退出加熱管命令，直到P設-P測>-60kW。若出現電網電壓降低，使P設-P測>60 kW，則PLC發投入加熱管命令，直到P設-P測<60 kW。雖然電網電壓變化頻繁，且電壓波動幅度較大，但由于可以實時檢測到電鍋爐的實際功率，PLC可根據實際功率變化，及時準確地投、退電加熱管，使電鍋爐實際功率保持在設定值左右波動，且上下波動幅度不超過60 kW。這樣電鍋爐的實際加熱功率受電網電壓波動的影響大大降低，實現了電鍋爐的恒功率控制。

為了避免電鍋爐頻繁投、退加熱管，降低接觸器頻繁吸合頻率，盡量保證電鍋爐的穩定，當電網電壓波動時，如果電鍋爐設定功率與實際功率之差大于60 kW時，PLC并不立即投、退加熱管，而是設置了延時1 min再執行投、退加熱管命令。這樣，可避免電鍋爐因電網電壓波動而頻繁投、退加熱管。

如果實際功率測量值反饋異常，即出現故障，則自動由恒功率控制模式切換至加熱率控制模式，增加了電鍋爐運行的可靠性。恒功率邏輯控制流程見圖4。

圖4 恒功率邏輯控制流程

2.5 加熱率控制模式

加熱率控制模式是以投入加熱管的數量為控制目標的控制方式。設定電鍋爐的加熱率，即設定投入加熱管的數量。人為設定加熱率后，加熱率不會隨電壓波動變化，除非人為改變電鍋爐的加熱率。加熱率控制邏輯流程見圖5。

2.6 電鍋爐總控制邏輯

綜上所述，電鍋爐一共涉及3種控制方式，自動比例控制模式、恒功率控制模式和加熱率控制模式。其中，當電鍋爐內實際蒸汽壓力Pr測>360 kP時，自動切換至自動比例控制模式；當Pr測<360 kP時，即可選擇恒功率控制模式，也可選擇加熱率控制模式，其中主要選擇恒功率控制模式；當電鍋爐實際功率測量出現故障，即P測反饋異常時，則自動切換至加熱率控制模式，以保證電鍋爐的運行可靠性。電鍋爐控制總邏輯流程見圖6。

圖5 加熱率控制邏輯流程

3 結語

贊比亞中色盧安夏礦業有限公司濕法廠通過對電鍋爐恒功率控制技術改造，實現了電鍋爐的自動恒功率控制。每臺電鍋爐實際功率可控制在設定值±60 kW范圍內波動，5臺電鍋爐實際總功率波動范圍設定值為±300 kW，即5臺電鍋爐總負荷波動范圍為±0.3 MW，相比改造前的±1.5 MW波動量減少1.2 MW。經過一段時間的運行觀察，電鍋爐運行穩定、可靠，且負荷控制效果理想，不僅實現了穩定全廠用電負荷的目的，而且有效降低了企業的用電需量，每月節省電費超過60萬元，取得了良好的經濟效益。