CN102607012A - 一种工业锅炉给水系统的节能装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业锅炉给水系统的节能装置及其控制方法，属于自动化控制领域。节能装置变频器连接给水泵，在给水泵与省煤器之间的输出管道上依次连接电动阀、流量计，给水泵和电动阀之间接有给水压力变送器，锅炉汽包经过蒸汽压力变送器与可编程控制器连接，流量计和给水压力变送器与可编程控制器输入端连接，变频器和电动阀与可编程控制器输出信号端连接；可编程控制器中安装有锅炉给水控制回路软件。本方法采用变频和变阀联合调节的办法优化控制锅炉给水，达到最大限度节能的目的；同时大大减小流程设备的磨损，可延长流程设备的使用年限。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业锅炉给水系统的节能装置及其控制方法，属于自动控制领域。
背景技术
工业锅炉一般采用给水泵进行供水，给水泵的功率从数十千瓦到数百千瓦不等，锅炉容量越大给水系统的能耗越高。目前工业锅炉给水系统的水流量控制的主要方法是通过控制电动阀的开度而控制。有的工业锅炉给水系统在给水泵上安装了变频器，但是变频器的控制目标仅是稳定给水压力，没有充分挖掘变频器的节能潜力。有的虽同时安装了电动阀和变频器，但没有充分发挥电动阀和变频器的联合优化控制作用，仍以变频器作为恒压，电动阀作为流量控制，没有更好地实现节能。由于给水泵的能耗与给水泵的转速成平方的关系，因此在确保给水系统安全的前提下尽量降低给水泵的转速是节能的关键措施。给水与汽包之间必须保持足够的压力差（后面简称水汽压力差）才能确保锅炉进水，特别是在锅炉工况变化需要较小的水流量时，既要求降低给水泵转速而减小流量又要求提高转速以维持足够的水汽压力差，这就导致给水系统的剧烈波动，不仅不安全而且电能浪费严重，需要从变频器和电动阀两方面进行控制。
水汽压力差可以通过变频器和电动阀这两个设备进行调节，在同样的转速条件下阀门开度越小水压力差越大，在同样的阀门开度条件下转速越高水压力差越大，反之依然。阀门开度越小越容易造成水能损失。实践证明，完全通过变频器维持足够的水汽压力差所耗费的电能比通过改变阀门开度所耗费的电能要大，在给水流量较小时电能的浪费尤为严重。因此需要在变频器输出量与阀门开度间寻求一个最佳接合点，以达到更为显著的节能效果。
发明内容
鉴于上述存在的问题和不足，本发明提供一种工业锅炉给水系统的节能装置及其控制方法，采用变频和变阀联合调节的办法优化控制锅炉给水，达到最大限度节能的目的；同时大大减小流程设备的磨损，可延长流程设备的使用年限。
本发明采用的技术方案为：节能装置硬件包括变频器3、给水压力变送器5、蒸汽压力变送器7、电动阀9、流量计10和可编程控制器11，变频器3连接给水泵4的控制端，在给水泵4至省煤器16的输出管道上依次安装电动阀9、流量计10，给水泵4和电动阀9之间接安装有给水压力变送器5，锅炉汽包8经过蒸汽压力变送器7与可编程控制器11连接，流量计10和给水压力变送器5与可编程控制器11输入端连接，变频器3和电动阀9与可编程控制器11输出信号端连接。
可编程控制器中安装有锅炉给水控制回路软件，软件包括比较器1、增量式PID控制器2和自寻优控制器6，自寻优控制器6包括分析比较器12、选择开关13、控制表14和搜索器15；比较器1通过增量式PID控制器2和变频器3、给水泵4、电动阀9、锅炉汽包8依次串接，给水流量给定值SP和电动阀输出端的流量计信号输入比较器1，给水流量给定值、给水压力信号、蒸汽压力信号信号输入自寻优控制器6的分析比较器12，分析比较器12的输出端口与选择开关13连接，选择开关13的输出端口分别连接控制表14和搜索器15，控制表14和搜索器15的输出端口分别连接电动阀9。
工业锅炉给水系统节能控制装置按照下面步骤进行:
第一步：水流量给定值SP和流量计10的实测值同时输入比较器1，通过比较器1进行比较，并且将差值(SP-PV)送入增量式PID控制器2；
第二步：增量式PID控制器2经过计算，将结果输出到变频器3，通过变频器3对给水泵4的转速进行控制，从而控制给水流量；
第三步：给水压力P1、蒸汽压力P2、水流量给定值SP送入自寻优控制器6中的分析比较器12，经信号分析后选择控制表14或搜索器15进行控制，当给水流量给定值变化幅度大于4t/h或压力差变化幅度大于0.2MPa时，选择控制表14进行控制, 控制表14将根据SP、P1、P2的数值通过查表获得控制结果；当给水流量给定值变化幅度小于4t/h和压力差变化幅度小于0.2MPa时，选择搜索器15时，搜索器15将根据SP、P1、P2的数值通过逐步搜索获得控制结果，控制结果将通过可编程控制器11输出控制电动阀9的开度；
给水压力P1、蒸汽压力P2的差（P1-P2）一般取为0.15至0.20MPa，当实际压力差大于此范围时，按搜索步长增大阀门开度，直到压力差在0.15至0.20MPa范围内，当阀门开度为最大时停止增大控制；当实际压力差小于此范围时，按搜索步长逐步减少阀门开度，直到压力差在0.15至0.20MPa范围内，当阀门开度为最小时停止减小控制；在满足压力差在0.15至0.20MPa范围内条件下，尽可能增大阀门开度和降低泵的转速。
控制表14的控制方法为，将给水流量测量范围分为｛0,1,2,3,4,5,6,7｝八个模糊等级，分别对应｛0,1,2,3,4,6,8,10｝八个阀门开度等级，再根据给水流量给定值大小确定其模糊等级，根据对应关系得到阀门开度的粗调值，然后根据给水与汽包压力差进行修正，当水汽压力差小于0.15MPa时，将阀门开度调低一个等级，当水汽压力差大于0.2MPa时，将阀门开度调高一个等级。
搜索器15的控制方法为， 当给水流量给定值变化超出等级范围而采用控制表快速得到较为合理阀门开度后，自动切换到寻找最佳阀门开度的搜索器15控制方式，最佳阀门开度的搜索方法为，将压力差分为｛0，0.05，0.15，0.2，0.3｝五个等级，对应的搜索步长为｛10，5,1,2，5｝，压力差小于0.15MPa 时，以对应步长每10秒关闭阀门1次，压力差大于0.2MPa 时，以对应步长每10秒打开阀门1次，当压力差处在0.15至0.20MPa之间时，暂停搜索。
控制时以先调电动阀的开度后调给水泵的转速为原则，在将阀门开度控制在最佳状态后，再通过变频器控制给水泵的转速而控制给水流量。
电动阀的控制周期一般设定为30至60秒，给水泵的控制周期一般设定为1至5秒。
本发明的有益效果是，采用变频和变阀联合调节的办法优化控制锅炉给水，达到最大限度节能的目的；可大大减小流程设备的磨损，可延长流程设备的使用年限。
附图说明
图1是本发明的节能装置结构示意图；
图2是本发明的控制原理示意图；
图3是本发明的自寻优控制器原理图。
图中:1-比较器、2-增量式PID控制器、3-变频器、4-给水泵、5-给水压力变送器、6-自寻优控制器、7-蒸汽压力变送器、8-锅炉汽包、9-电动阀、10-流量计、11-可编程控制器、12-分析比较器、13-选择开关、14-控制表、15-搜索器、16-省煤器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，节能装置硬件包括变频器3、给水压力变送器5、蒸汽压力变送器7、电动阀9、流量计10和可编程控制器11，变频器3连接给水泵4的控制端，在给水泵4至省煤器16的输出管道上依次安装电动阀9、流量计10，给水泵4和电动阀9之间接安装有给水压力变送器5，锅炉汽包8经过蒸汽压力变送器7与可编程控制器11连接，流量计10和给水压力变送器5与可编程控制器11输入端连接，变频器3和电动阀9与可编程控制器11输出信号端连接。
可编程控制器中安装有锅炉给水控制回路软件，软件包括比较器1、增量式PID控制器2和自寻优控制器6，自寻优控制器6包括分析比较器12、选择开关13、控制表14和搜索器15；比较器1通过增量式PID控制器2和变频器3、给水泵4、电动阀9、锅炉汽包8依次串接，给水流量给定值SP和电动阀输出端的流量计信号输入比较器1，给水流量给定值、给水压力信号、蒸汽压力信号信号输入自寻优控制器6的分析比较器12，分析比较器12的输出端口与选择开关13连接，选择开关13的输出端口分别连接控制表14和搜索器15，控制表14和搜索器15的输出端口分别连接电动阀9。
结合图2对自寻优控制器的控制方法作进一步的说明，
实施例1
连接号装置以后，按照下面步骤进行；
第一步：水流量给定值SP和流量计的实测值同时输入比较器，通过比较器进行比较，并且将差值(SP-PV)送入增量式PID控制器；
第二步：增量式PID控制器经过计算，将结果输出到变频器，通过变频器对给水泵进行控制，将给水流量控制在给水流量给定值范围内；
第三步：给水压力P1、蒸汽压力P2、水流量给定值SP送入自寻优控制器中的分析比较器，经信号分析后选择控制表或搜索器进行控制。
给水流量给定值SP、给水压力P1、蒸汽压力P2送入分析比较器12后，当给水流量给定值变化幅度大于4t/h或压力差变化幅度大于0.2MPa时，经前后数据比较以及数据变化趋势分析确定选择那一种控制算法，并通过选择开关13进行选择，选择控制表14进行控制，以便使控制系统快速进入稳定和较为节能的状态，
控制表14的控制方法为： 根据给水流量、水汽压力差情况控制调节阀门开度的控制算法为：首先由给水流量的给定值的变化通过查表方式得出调节阀的控制开度，将给水流量测量范围分为｛0,1,2,3,4,5,6,7｝八个模糊等级，分别对应｛0,1,2,3,4,6,8,10｝八个阀门开度等级，再根据给水流量给定值确定其属于的模糊等级，根据对应关系得到阀门开度的粗调值，然后根据给水与汽包压力差进行修正，当水汽压力差小于0.15MPa时，将阀门开度调低一个等级，当水汽压力差大于0.2MPa时，将阀门开度调高一个等级。
选择控制表控制时，控制表将根据SP、P1、P2的数值通过查表获得控制结果；控制结果将通过可编程控制器输出控制电动阀的开度。
给水压力P1、蒸汽压力P2的差（P1-P2）一般取为0.15至0.20MPa，当实际压力差大于此范围时，按搜索步长增大阀门开度，直到压力差在0.15至0.20MPa范围内，当阀门开度为最大时停止增大控制；当实际压力差小于此范围时，按搜索步长逐步减少阀门开度，直到压力差在0.15至0.20MPa范围内，当阀门开度为最小时停止减小控制；在满足压力差在0.15至0.20MPa范围内条件下，尽可能增大阀门开度和降低泵的转速。
实施例2
连接号装置以后，按照下面步骤进行；
第一步：水流量给定值SP和流量计的实测值同时输入比较器，通过比较器进行比较，并且将差值(SP-PV)送入增量式PID控制器；
第二步：增量式PID控制器经过计算，将结果输出到变频器，通过变频器对给水泵进行控制，将给水流量控制在给水流量给定值范围内；
第三步：给水压力P1、蒸汽压力P2、水流量给定值SP送入自寻优控制器中的分析比较器，经信号分析后选择控制表或搜索器进行控制，
给水流量给定值SP、给水压力P1、蒸汽压力P2送入分析比较器12后，当给水流量给定值变化幅度小于4t/h和压力差变化幅度小于0.2MPa时，经前后数据比较以及数据变化趋势分析确定选择那一种控制算法，并通过选择开关13进行选择，选择搜索器15进行控制以寻找最佳的阀门开度和变频器输出量，实现显著的节能。
搜索器15的控制方法为：当给水流量给定值变化超出等级范围而采用控制表14快速得到较为合理阀门开度后，自动切换到寻找最佳阀门开度的搜索器15控制方式，最佳阀门开度的搜索方法为：将压力差分为｛0，0.05，0.15，0.2，0.3｝五个等级，对应的搜索步长为｛10，5,1,2，5｝，压力差小于0.15MPa 时，以对应搜索步长每10秒关闭阀门1次，压力差大于0.2MPa 时，以对应搜索步长每10秒打开阀门1次，当压力差处在0.15至0.20MPa之间时，暂停搜索。
选择搜索器时，搜索器将根据SP、P1、P2的数值通过逐步搜索获得控制结果，控制结果将通过可编程控制器输出控制电动阀的开度。
给水压力P1、蒸汽压力P2的差（P1-P2）一般取为0.15至0.20MPa，当实际压力差大于此范围时，按搜索步长增大阀门开度，直到压力差在0.15至0.20MPa范围内，当阀门开度为最大时停止增大控制；当实际压力差小于此范围时，按搜索步长逐步减少阀门开度，直到压力差在0.15至0.20MPa范围内，当阀门开度为最小时停止减小控制；在满足压力差在0.15至0.20MPa范围内条件下，尽可能增大阀门开度和降低泵的转速。
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对发明进行各种变换及等同代替，因此，本发明不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方案。
Claims (7)
1.一种工业锅炉给水系统的节能装置，其特征在于：节能装置包括变频器、给水压力变送器、蒸汽压力变送器、电动阀、流量计和可编程控制器，变频器连接给水泵，在给水泵与省煤器之间的输出管道上依次连接电动阀、流量计，给水泵和电动阀之间接有给水压力变送器，锅炉汽包经过蒸汽压力变送器与可编程控制器连接，流量计和给水压力变送器与可编程控制器输入端连接，变频器和电动阀与可编程控制器输出信号端连接。
2.根据权利要求1所述的一种工业锅炉给水系统的节能装置，其特征在于：可编程控制器中安装有锅炉给水控制回路软件，软件包括比较器、增量式PID控制器和自寻优控制器，自寻优控制器包括分析比较器、选择开关、控制表和搜索器；控制回路中比较器、增量式PID控制器、变频器、给水泵、电动阀、锅炉汽包依次串接，给水流量给定值SP和电动阀输出端的流量计信号输入比较器，给水流量给定值、给水压力信号、蒸汽压力信号输入自寻优控制器的分析比较器，分析比较器的输出端口与选择开关连接，选择开关的输出端口分别连接控制表和搜索器，控制表和搜索器的输出端口分别与电动阀连接。
3.一种工业锅炉给水系统的控制方法，其特征在于：工业锅炉给水系统节能控制方法按照下面步骤进行；
第一步：水流量给定值SP和流量计的实测值同时输入比较器，通过比较器进行比较，并且将差值(SP-PV)送入增量式PID控制器；
第二步：增量式PID控制器经过计算，将结果输出到变频器，通过变频器对给水泵进行控制，将给水流量控制在给水流量给定值范围内；
第三步：给水压力P1、蒸汽压力P2、水流量给定值SP送入自寻优控制器中的分析比较器，经前后数据比较以及数据变化趋势分析确定选择控制算法，并通过选择开关进行选择，当给水流量给定值变化幅度大于4t/h或压力差变化幅度大于0.2MPa时，选择控制表进行控制, 控制表将根据SP、P1、P2的数值通过查表获得控制结果；当给水流量给定值变化幅度小于4t/h和压力差变化幅度小于0.2MPa时，选择搜索器时，搜索器将根据SP、P1、P2的数值通过逐步搜索获得控制结果，控制结果将通过可编程控制器输出控制电动阀的开度；
给水压力P1、蒸汽压力P2的差（P1-P2）一般取为0.15至0.20MPa，当实际压力差大于此范围时，按搜索步长增大阀门开度，直到压力差在0.15至0.20MPa范围内，当阀门开度为最大时停止增大控制；当实际压力差小于此范围时，按搜索步长逐步减少阀门开度，直到压力差在0.15至0.20MPa范围内，当阀门开度为最小时停止减小控制；在满足压力差在0.15至0.20MPa范围内条件下，尽可能增大阀门开度和降低泵的转速。
4.根据权利要求3所述的一种工业锅炉给水系统的控制方法，其特征在于：控制表的控制方法为，将给水流量测量范围分为｛0,1,2,3,4,5,6,7｝八个模糊等级，分别对应｛0,1,2,3,4,6,8,10｝八个阀门开度等级，再根据给水流量给定值大小确定其模糊等级，根据对应关系得到阀门开度的粗调值，然后根据给水与汽包压力差进行修正，当水汽压力差小于0.15MPa时，将阀门开度调低一个等级，当水汽压力差大于0.2MPa时，将阀门开度调高一个等级。
5.根据权利要求3所述的一种工业锅炉给水系统的控制方法，其特征在于：搜索器的控制方法为，当给水流量给定值变化超出等级范围而采用控制表快速得到较为合理阀门开度后，自动切换到寻找最佳阀门开度的搜索器控制方式，最佳阀门开度的搜索方法为，将压力差分为｛0，0.05，0.15，0.2，0.3｝五个等级，对应的搜索步长为｛10，5,1,2，5｝，压力差小于0.15MPa 时，以对应步长每10秒关闭阀门1次，压力差大于0.2MPa 时，以对应步长每10秒打开阀门1次，当压力差处在0.15至0.20MPa之间时，暂停搜索。
6.根据权利要求3所述的一种工业锅炉给水系统的控制方法，其特征在于：控制时以先调电动阀的开度后调给水泵的转速为原则，在将阀门开度控制在最佳状态后，再通过变频器控制给水泵的转速而控制给水流量。
7.根据权利要求3所述的一种工业锅炉给水系统的控制方法，其特征在于：电动阀的控制周期一般设定为30至60秒，给水泵的控制周期一般设定为1至5秒。
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