基于PID 實現對鍋爐循環泵的智能控制

李霍生

（山西省煤炭地質144 勘查院， 山西 洪洞 041600）

引言

為保證鍋爐供熱的穩定性，降低供熱成本，需對其關鍵部件包括循環泵和補水泵的運行參數進行合理控制。從理論上看，基于計算機技術實現對鍋爐循環泵的PID 控制，對于確保循環泵處于最佳工作狀態，保證其運行和燃煤效率，同時改善現場作業人員的工作環境，實現自動化管理具有重要意義[1]。本文將重點基于PID 實現對鍋爐循環泵的智能化控制，最終達到節約能源、減少污染的目的。

1 鍋爐循環泵恒速控制現狀分析

目前，鍋爐循環泵主要采用恒定速度進行控制，在實際生產中主要控制路徑為通過對循環泵出水管路上調節閥的調節實現對鍋爐流量和壓力控制。經過多年應用，采用上述恒速控制主要存在如下問題：

1）在實際生產中，需根據供暖參數不間斷地通過調節閥對流量和壓力進行控制，這便導致調節閥頻繁運轉，且調節閥經常出現卡死、泄露流量甚至損害的情況，從而影響供暖效率和穩定性。

2）循環泵在恒速條件下運行，不僅供熱效率低，還會造成能源浪費。同時，循環泵長期處于高速運轉狀態，加劇了循環泵零部件的磨損，從而降低鍋爐的整體使用壽命。

3）目前，循環泵主要通過人工根據操作人員的經驗對調節閥進行控制，在整個控制過程中表現為控制的滯后性、不穩定性以及低自動化水平[2]。

2 循環泵變頻調速系統設計

2.1 變頻器控制原理

變頻調速系統為實現循環泵智能控制的主要環節。所謂變頻調速指的是，系統能夠根據實際需求對循環泵電機轉速/頻率進行控制，從而達到預期的控制效果。該控制方式最明顯的優勢在于實現系統節能運行，即當需要增加供暖流量時，循環泵電機轉速/頻率增加實現循環流量的增加；當需要減小供暖流量時，降低循環電機的轉速/頻率；同時，變頻調速控制方式還能夠有效解決系統在啟動階段對電機造成的沖擊問題[3]。

上述循環泵變頻控制的主要依據是用戶所需的熱量。當用戶所需熱量不足時，應通過變頻器增加流量的方式進行控制；當用戶所需熱量過剩時，應通過變頻器控制減小流量。

2.2 變頻器的選型

一般的，變頻器主要根據其結構進行分類包括交-交變頻器和交-直-交變頻器。目前，工業中常用的變頻器為交-直-交變頻器，其結構如圖1 所示。

圖1 交-直-交變頻器結構

如圖1 所示，交-直-交變頻器主要由整流器、逆變器、中間直流環節和控制電路組成。結合循環泵的實際工況包括負載類型、控制任務、電機額定功率及電流等原則對適用于循環泵的變頻器進行選型。

綜合對比目前市場上各型號變頻器，本工程最終確定選用型號為MM430 的變頻器。該型號變頻器可支持額定功率為7.5～250 kW 的電機運行，可實現對循環泵電機的分級控制、自動控制、手動控制等功能[4]。

3 循環泵智能控制功能的實現

3.1 循環泵智能控制原理

在傳統循環泵系統加入上述變頻器的基礎上，為實現對循環泵實時、自動化、精確控制，具體基于PLC控制器并結合模糊PID 控制算法進行控制，具體控制原理如圖2 所示。

如圖2 所示，基于PLC 和模糊PID 控制算法對循環泵流量控制的主要依據為管路內的供水溫度和回水溫度、室外溫度，上述三類溫度值均通過溫度變送器進行采集。具體控制原理如下：用戶室內溫度根據相關標準一般設定為20 ℃（即供水溫度一般為恒定值），根據室外的實時溫度值經過查表得出最佳供回水溫度差；并結合所采集到回水管路的實時溫度對回收流量進行控制，以保證供回水溫度差滿足當前的室外溫度下的要求。

圖2 循環泵模糊PID 控制系統結構框圖

值得注意的是，由于供暖管路中存在一定的管路阻力，本工程中的變頻器需設定一個下限值，以保證循環泵的最低轉速保證管路阻力，從而有效避免鍋爐爆炸或者管路爆裂的事故發生。此外，根據循環泵的工況，設定變頻器的上限值為50 Hz。

3.2 模糊控制參數的確定

模糊控制算法應用于對循環泵控制的關鍵在于算法中的修正值。結合循環泵的工作情況和模糊PID控制算法的原理，設計如圖3 所示的流程對模糊PID算法中的修正值進行確定。

基于如圖3 所示的程序，最終確定模糊PID 算法中積分環節系數為0.03，微分環節系數為0.174，比例積分環節系數為0.005 4。

圖3 模糊PID 算法修正程序流程

3.3 智能控制系統應用效果分析

將上述結合循環泵工況確定模糊PID 控制器中各個環節的因數應用于循環泵的智能控制中，經實踐應用循環泵基于PID 和PLC 控制器實現的智能控制，其效應主要表現為：提升鍋爐的供熱效率，提高循環泵自動化控制水平，降低現場作業人員的勞動強度；基于智能化控制后循環泵的耗能明顯減小，對循環泵零部件的損耗減小，間接節約了循環泵的運行成本[5]。

經實踐表明，循環泵采用智能化控制與傳統采用恒速控制相比，每臺循環泵每天節約電能430 kWh，在供暖期的190 d 內共節約電能為8.1 萬kWh，電費按照0.5 元/kWh 計算，單臺循環泵在整個供暖期共節約費用約4 萬元。對于大型供熱公司，可節約將近百萬元的費用。

4 結語

循環泵作為燃煤供熱鍋爐的主要部件，傳統循環泵采用恒速控制，存在能耗大、零部件損耗大以及控制存在嚴重滯后性的問題。為進一步提升供熱效率，降低供熱成本，基于PLC 和模糊PID 控制算法實現對鍋爐循環泵的智能化控制。實踐表明，鍋爐循環泵采用智能化控制方式具有明顯的節能效果，每臺循環泵在供暖期內可節約電費4 萬元。