变频技术在工业锅炉中的安全应用及经济性研究.pdf
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1、应用推广2023年第10 期No.10,2023ModernIndustrialormationization总第2 3 2 期Total 232现代工业经济和信息化D0I:10.16525/ki.14-1362/n.2023.10.048变频技术在工业锅炉中的安全全应用及经济性研究晋旭琦(太原市热力集团有限责任公司热源分公司,山西太原030045)摘要:以某工厂3 5 t/h工业锅炉为例,从硬件和软件的角度为锅炉设计一套变频控制系统,并利用MATLAB/Simulink软件进行仿真模拟,验证系统应用的可行性,再将其应用于锅炉控制当中,分析变频控制系统应用的安全性和经济性。关键词:工业锅炉;变
2、频控制;安全性;经济性中图分类号:TK223文献标识码:A文章编号:2 0 9 5-0 7 48(2 0 2 3)10-0 146-0 20引言目前很多工业企业正在加快锅炉的改造升级 ,通过智能化控制系统、变频技术的应用提高工业锅炉的运行水平 2 ,这不仅能够提高锅炉的运行效率和安全性,对降低能耗提高经济效益也有着重要的意义。1自动变频控制系统的设计应用1.1硬件系统设计本次研究主要以某工厂3 5 t/h的工业锅炉为研究对象,该锅炉配备有两台循环泵(一用一备)、一台送风机、一台引风机以及一台炉排电机。在自动化变频控制系统设计当中,本次以PLC控制器为核心,华研工控机为载体,利用温度传感器、压力
3、传感器等作为信号收集器,进而根据需求对锅炉的各个附件设备进行变频控制。本次自动化控制系统的设计当中,中央控制器以西门子S7-200PLC模块为主,其CPU为RS485,具有丰富的功能和抗干扰能力,能够满足该企业锅炉自动化控制需求。信号采集设备主要有CYB-20S压力传感器、OPG-01型光电传感器、TXY501温度传感器、PMC133压力变送器、SBYC差压变送器。变频器主要选用三菱FR-F540(L)-S系列,根据水泵、风机的控制方式和功率的不同进行差异化选择。1.2软件设计本次自动化控制系统是利用STEP7编程语言完成的,软件编程分为主程序和子程序,编程平台为PC机STEP7V5.3软件。
4、主程序软件设计包含有三个功能模块,其中F1为风机频率的设定,用于控制锅炉炉膛压力;F2为电子信号模拟量采集模块,用于记录、监督锅炉的运行状态,在锅炉运行参数超出安全范围时发出警报;F3为循环泵频率的设定,用于调控锅炉水压等。其中F1功能模块子系统的软件逻辑流程如下:在系统开启后温度传感器以及压力传感器会将炉膛内温度和压力传递给中央控制器PLC中,系统将传回的数据与温度和压力预设值进行对比,得出差值,之后将差值输人模糊PID控制算法程序中进行计算,从而得出引风机、鼓风机的输出频率,并通过I/O转换为电信号分别传递给FR-F540L-90K-CH变频器和FR-F540-37K-CH变频器中,以此用
5、于引发机和鼓风机转速的控制;F2功能模块子系统软件逻辑流程如下:在系统启动后,各传感器采集各部分数据信息,转换为电信号传递给PLC控制系统,之后与预设范围进行比较,如果采集信息超出预设范围则发出声光报警,并在人机交互界面上显示故障位置测量值,同时进人应急模式,自动操控系统停机切换为手动模式,在工作人员处理后测量值保持在预设范围内则报警解除;F3功能模块子系统的软件逻辑流程如下:锅炉系统开启后,差压变送器以及光电传感器采集锅炉水流量、水位以及蒸汽蒸发量信号,并将信号传递至PLC中控系统,然后经过模糊自适应PID算法计算,得出锅炉水位控制参数,通过I/O转换为电信号传递到FR-F540L-75K-
6、CH变频器,改变变频器输出功率,进而调节水泵转速,在确保锅炉蒸发量的同时降低能源消耗。2变频控制系统在工业锅炉中的仿真模拟分析为了验证变频控制系统在工业锅炉的应用效果,本次研究利用MATLAB/Simulink对变频控制系统进行仿真模拟,仿真结构图如图1所示。Gain3Product2Add1SteplGain6Fuzzy LogiePmxluct3125DenivativelkecControllerl1200+1Add2TransferFancoDeCain7Pmduct4Add4Gain5Add3StepntegratoranldDenivativeGain2图1变频控制系统下锅炉温度仿
7、真图本次仿真模拟将锅炉汽包水温设置为6 0,所得到的温度响应曲线如图2 所示。由图2 可知,锅炉汽包水温在40 s左右已经达到收稿日期:2 0 2 3-0 6-2 7作者简介:晋旭琦(19 9 4一),男,山西阳泉人,本科,毕业于中北大学信息商务学院,助理工程师,研究方向为工业锅炉与安全。下转第15 0 页).147.2023年第10 期晋旭琦:变频技术在工业锅炉用及经济性研究80.i.706050加40.302010010203040506070时间s图2变频控制系统下锅炉汽包水温变化预设值(6 0),并且温度超调量最高达到7 0.3,与预设值相差10.3,超调率为17.17%。由此可见,在
8、变频控制系统的应用下,锅炉温度控制能够得到良好的控制。3变频技术在工业锅炉中的应用经济性研究3.1应用安全性分析变频控制系统改造主要应用于某工厂3 号蒸汽锅炉当中,该锅炉蒸发量为3 5 t/h,主要为厂区生产提供蒸汽。本次锅炉改造时间为2 0 2 1年6 月1日一2021年7 月1日。改造前,锅炉运行方式为人工操控,炉膛压力主要通过调控引风机和鼓风机管道上的风门进行控制,给水量由阀门进行控制。在实际生产过程中,锅炉主要在2 0 t/h的工况下运行,因此本次研究也基于此工况进行分析,为了验证变频控制系统应用后锅炉运行安全性,本次选取改造前后两个典型日,对锅炉炉膛压力进行分析,经过对锅炉炉膛压力记
9、录的计算分析,得出如图3 所示的结果。时间00:0004:0008:0012:0016:0020:0023:59020-40-60-80-100-120人工控制模式变频控制模式图3不同控制系统下锅炉炉膛压力变化情况由图3 可知,在人工控制模式下,锅炉炉膛压力波动相对较大,甚至有部分时间段炉膛内部压力已经超出-5 0 -10 0 Pa的范围,例如在17:11锅炉炉压降至42.9 7 Pa,这不仅会对锅炉效率产生影响,还会威胁到锅炉的使用安全。而在改造完成后,在变频控制模式的应用下,锅炉炉膛压力更为平稳,并且全时段压力均在锅炉安全使用范围之内。由此可见,变频控制系统的应用能够有效提高锅炉的使用安全
10、性,同时也能够降低工作人员的劳动强度3.2应用经济性分析本次改造工作所投人的费用主要由三部分组成,分别为设备采购费用、自动化控制系统设计费用以及设备安装费用。在自动化系统建立当中,所有涉及到的仪器仪表均换新,并执行一用一备原则,经过统计计算,所有设备采购费用(变频电机、变频器、仪器仪表等)为3 4.7 万元,自动控制系统设计费用(包含电气控制部分的安装连接)共13.5 万元,设备安装费用(包含安装辅材)共11.6 万元,整体自动化变频控制改造花费5 9.8 万元。在锅炉控制系统改造完成后,经过一个月的运行分析发现,在同等工况下锅炉的运行能耗得到了有效的降低。具体节能结果如表1所示。表1改造前后
11、锅炉设备耗能情况单位kWh改造前不同工况下每日耗能 改造后不同工况下每日耗能设备名称15 t/h20t/h30t/h15 t/h20 t/h30/h鼓风机888888888432.8575.5723.4引风机2 16021602 1601279.61 447.91984.2循环泵18001 80018001 135.41 439.51688.5由表1可知,不同工况下变频节能改造的节能效果有着较大的差异,其中锅炉输出负荷越低,变频控制系统应用的节能效果更好,在15 t/h工况下,鼓风机的节能效率达到了5 1.2 6%,引风机节能效率达到了40.7 6%,循环泵节能效率达到3 6.9 2%。由此可
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