CN105627291A - 一种蒸汽锅炉变频给水控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种蒸汽锅炉的变频给水控制方法，属于锅炉控制技术领域。该方法包括：A：在锅炉额定工作压力以下从低到高划分出若干个压力点；B：测定对应于以上划分的各压力点的变频给水最低频率和变频给水最高频率；C：变频给水时，测定当前锅炉的实际工作压力，根据锅炉的实际工作压力找出对应于步骤B内的变频给水频率工作区间；D：调节变频给水设备的频率处于步骤C所得到的变频给水的频率区间内给锅炉供水。本方法有效调节区间大，供水稳定，能耗低。

Description

一种蒸汽锅炉变频给水控制方法

技术领域

本发明涉及一种锅炉给水控制方法，特别涉及一种蒸汽锅炉的变频给水控制方法，属于锅炉控制技术领域。

背景技术

目前蒸汽锅炉给水控制方式较为普遍的是采用工频给水泵配电动调节阀控制给水大小，也有采用变频器调节给水泵的转速来控制给水量，但水泵转速与产生的水量不是线性对应关系，造成调节稳定性差，因此需要对变频给水控制方法进行改进。首先对以上两种工作方法进行总结说明，常见的给水系统框图如附图2所示，整个控制核心是闭环式PID控制器对变频频率或调节阀开度进行调整，从而改变给水量的大小，工作过程中PID控制器通过对比水位的“给定值”与“过程值”来计算PID输出的大小，达到自动调节锅炉给水的目的。以下是这种两种给水方式的优缺点总结：

1、电动阀调节给水量：

a)给水泵电机始终处于工频运行状态，流量越小水泵电机的效率越低，不符合节能的需求；

b)锅炉压力变化时，调节阀相同开度的情况下锅炉压力越低流量越大，而太大流量会影响锅炉运行稳定性，因此锅炉使用压力越低，可调节范围越小、电机的效率越低，稳定性也随着压力降低而变差。

2、变频器调节给水量：

a)水泵不同转速会产生不同的压力，只有水泵产生压力超过锅炉压力时才能产生流量，因此在低频率段调节变频是无效调节，不能产生流量，且锅炉工作额定设计压力下时最为严重，随着锅炉工作压力降低，无效调节的区间也会变小；

b)当锅炉压力设定在较低压力且水泵不变的情况下，不能产生流量的区间随着压力降低而变小，但变频高频率时产生压力远大于锅炉压力，会引起流量剧增而严重影响锅炉内的水气平衡，导致锅炉压力及水位产生强烈波动，使锅炉运行稳定性变差；

c)因给水泵电机的转速的三次方与功耗存在倍率关系，所以变频器使转速下调后的节能效果非常明显。变频节能原理应用已很普遍，此处不再熬述。

总结来看目前的锅炉给水方式的结果如下：a)使用调节阀调节效果相对较好，但能耗比高，且锅炉工作压力低时可调节范围会变小，现在已逐渐被变频器调节给水方式替代；b)使用变频器调节给水可以起到很好的节能效果，但有效调节区间较小，且锅炉压力变化时也会使调节区间变化，导致变频有效调节范围不能确定，工作稳定性差。

在蒸汽锅炉给水方式上，需要一种既能灵敏调节、又能保证锅炉工况温度的给水控制方法。

发明内容

本发明的目的主要针对水泵变频调节区间不确定、调节流量不准确进行改进，改善变频给水系统稳定性和准确度。

为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：一种蒸汽锅炉的变频给水控制方法，包括以下步骤：

A：在锅炉额定工作压力以下从低到高划分出若干个压力点，最高压力点为锅炉额定工作压力；

B：测定对应于以上划分的各压力点的变频给水最低频率和变频给水最高频率，其中：某压力点的变频给水最低频率对应的泵后出口水压为该压力；某压力点变频给水最高频率对应的泵后出口水压为该压力加上PΔ２，PΔ２为水泵最高扬程时对应的出口水压与锅炉额定压力的压力差；

C：变频给水时，测定当前锅炉的实际工作压力，根据锅炉的实际工作压力找出对应于步骤B内的变频给水频率工作区间，当锅炉的实际工作压力与步骤B中的某个压力点一样时，该压力点所对应的变频给水最低频率和变频给水最高频率即为实际的变频工作区间，当锅炉的实际工作压力与不在步骤B中的压力点上时，找出步骤B中与锅炉的实际工作压力最接近的上下两个压力点，根据这两个压力点所对应的变频给水最低频率和变频给水最高频率按照线性方法计算出当前锅炉实际压力下的变频给水最低频率和变频给水最高频率，即为当前锅炉压力下变频给水的频率区间；

D：调节变频给水设备的频率处于步骤C所得到的变频给水的频率区间内给锅炉供水。进一步的，步骤A中从零开始从低到高划分出若干个压力点，各压力点间隔相同，最大压力点为锅炉的额定压力，进一步的，步骤A中的压力点数不少于10个。

本发明的有益技术效果在于：本发明在变频给水时根据锅炉的实际工作压力，找出该压力下变频供水设备的最低变频给水频率和最高变频给水频率的区间，调节实际变频给水频率位于该频率区间，由于实际频率大于最低变频给水频率，所以变频供水设备出口的水压大于锅炉压力，能够形成有效供水，在实际频率小于最高变频给水频率下供水，不会对锅炉的工况温度性产生影响，经多次、多台不同型号和容量的锅炉使用验证，本方法有效调节区间大，供水稳定，能耗低，能优化锅炉的供水方案。

附图说明

图1是本方法的控制框图。

图2是传统变频给水控制的方框图。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，提供本发明的实施实例，这些实施实例仅仅是对本发明的阐述，不限制本发明的范围。

一、控制原理：

实现锅炉给水的自动控制就要控制给水量，而且实际运行使用时给水管道都是固定不变的，因此本方法主要是通过变频器调节压力差来控制给水流量。根据谢才公式推导出的常用管道计算公式可以看出，在管道全部固定的情况下只要控制管道两段的压力差就可以控制水流量，谢才公式如下：

流量：Q=CA√(RJ)=√[P/(ρgSL)]

式中：C：管道的谢才系数；L：管道长度；P：管道两端的压力差；R：管道的水力半径；ρ：液体密度；g：重力加速度；S：管道的摩阻。因管道固定不变，公式中的L、R、ρ、g、S也就确定下来成为定值，如果管道两段是变频给水泵出口和锅炉进口，当给水泵出口与锅炉进水口之间的压力差（下文用PΔ表示）恒定时，进入锅炉的水流量也就成为固定值。在管道全开时测定两端的压差：给水泵工频运转压力-锅炉额定压力=PΔ1，此压力差可以产生满足锅炉最大输出负荷的给水流量，当在不同锅炉压力时控制给水泵转速使当前的PΔ值与额定压力下测定的PΔ1值相同就可以得到相同的给水流量，以此来满足锅炉最大的补水需求，对应水泵调节的上限。而在压力差PΔ=0时流量也等于零，但只要PΔ≥0就会产生流量，因此PΔ=0时是水泵有效调节范围的最小值，也就是水泵调节的下限。以上推论总结出锅炉给水泵在不同锅炉压力下变频调节区间对应的出口压力为：

Pmin=Pnow

Pmax=Pnow+PΔ1

式中：

Pmin：变频调节区间低限对应的泵后最低出口压力；

Pmax：变频调节区间高限对应的泵后最高出口压力；

Pnow：锅炉当前压力值；

PΔ1：锅炉额定力下给水泵工频运转产生的压力与锅炉额定压力之间的差值；

得到给水泵的变频调节区间对应压力后，下一步就是测定压力对应的变频频率，下面对测试方法进行进一步说明：

最低出口压力Pmin对应频率：这个测定比较简单，就是控制泵可以生产的压力。测试时让水泵处在满水状态、水泵后阀门关闭，通过变频器控制水泵后压力与锅炉当前压力“Pnow”相同，此时的变频频率就是“Pnow”下对应的最低运行频率。最高出口压力Pmax对应频率：一般情况下管道比较平整，管道的压力损失在不同管道长度会有微量变化，且压力差PΔ很小，另外流量计算公式中的流量和两个压力都是变化量，因此调节控制的难度很大，测定过于困难和繁琐，不易实现，需要用其它方法对调节高限进行测定。“PΔ1”在这个系统下产生的流量是个固定量，说明水泵此时所产生能量也是个固定值，而水泵参数中有个重要参数“最高扬程”，它可体现水泵工频状态下能够产生的最高压力，这个压力是水泵此频率下做功能力的另一个表现形式，它是可以反映水泵做功能力的重要参数。在泵确定不变的情况下，最高泵后压力与水泵做功能力是按比例对应的。使用水泵能产生的最高压力与锅炉之间的压力关系，以Pnow为轴测定水泵工作区间对应频率，那么测量“Pmax”对应频率时就需先测定水泵能产生的最高压力，测试时让水泵处在满水状态、水泵后阀门关闭，通过变频器控制水泵后压力，并符合以下要求：

Pmax＇=　Pnow+　PΔ２

式中：

Pmax＇：变频调节区间高限对应的泵后最高出口压力；

Pnow：锅炉当前压力值；

PΔ２：水泵最高扬程对应压力与锅炉额定压力的压力差。

当满足上述公式时，产生“Pmax＇”这个压力对应的变频频率作为锅炉当前压力“Pnow”下对应变频调节区间上限值。锅炉给水泵按一般常规进行考虑，默认在额定工况下流量为锅炉蒸发量的1.3~1.5倍，因水泵选型有富余量，所以公式误差、及测定误差都在控制系统的容差范围内。此方法需要提前测定水泵在一定锅炉压力下的频率调节范围，并且实际应用前需要先测定各个压力段内的压力对应频率曲线，使用时根据当前压力调用、计算当前频率输出范围。

二、控制方法

本控制方法的主要涉到变频工作区间的测定和锅炉变频给水调节控制两个部分，下面分别对两个部分进行说明：

1）在不同锅炉压力下水泵变频工作区间的测定：

首先需要根据额定锅炉压力划分需要测定点的数量，比如额定压力1.0MPa的锅炉可以按0.1MPa间隔测定对应频率区间的大小，每间隔0.1MP测定一个变频工作上、下限的标准，测定方法按上述控制原理中的进行，将最后测定的各锅炉压力点与与相应频率对应系存储到控制系统中，作为工作查询数据调用时使用。而不同额定压力按锅炉压力进行合理的区间划分并测定存储，使用时按线性比例调用，因此测压点越密计算后的区间越准确。具体测定方法可以是手动测定、人工记录，也可以是自动测定并记录，测量出锅炉压力与变频区间对应关系后如下表一所示：

表格中的“Pn”等于锅炉的额定压力，“Hn”一般为50Hz，而使用流量远大于锅炉蒸发量的水泵时可以根据泵的实际情况进行设定，把流量控制到锅炉蒸发量的1.3~1.5倍范围内。因为以查表形式工作，测试点不可以全部覆盖，当锅炉的实际工作压力与不在步骤B中的压力点上时，找出步骤B中与锅炉的实际工作压力最接近的上下两个压力点，根据这两个压力点所对应的变频给水最低频率和变频给水最高频率按照线性方法计算出当前锅炉实际压力下的变频给水最低频率和变频给水最高频率，当锅炉压力为非表中的值时使用线性方法的以下公式进行计算变频工作区间：

L＇＝L_n＇+（L_n＇–L_n-1＇）*(P_now-P_n-1＇)/(P_n＇-P_n-1＇)

H＇＝H_n＇+（H_n＇–H_n-1＇）*(P_now-P_n-1＇)/(P_n＇-P_n-1＇)

式中：L＇：当前频率区间低限，H＇：当前频率区间高限，P_now：锅炉当前压力值,其它为表一中的参数，P_n-1＇为小于最接近P_now，P_n＇为最接近大于P_now，式中P_n＇≥P_now≥P_n-1＇，L_n＇、L_n-1＇、H_n＇、H_n-1＇与压力为对应关系，对应规则按表一进行一一对应；

2）变频给水调节控制：

在锅炉工作过程中跟据锅炉压力查询预先测定的水泵变频工作区间，再把计算出的变频范围作为水位PID调节器的输出限定区间。本发明引入了锅炉压力传感器检测压力和水泵变频特征的频率范围限制，通过这种方法由PID调节器查询频率范围，再去控制变频频率在有效调节范围内，使补水平稳、水位趋于稳定。本方法的控制框图见附图1。在本方法的PID调节器中，可以只用到PI部分。

本方法可通过测试水泵特性进行储存，结合锅炉压力查询与计算后选择合适的变频调节范围，使给水泵的流量调节与锅炉运行工况良好匹配，而且适合批量化生产需要，同型号的水泵只存在制造上的误差，水泵特性基本一致，所以测试的变频调节区间与锅炉压力对应关系特性存在通用性，对于锅炉厂家批量配置的水泵非常实用，一次测定重复使用，本方法完全工作在变频调节状态，对于工频+电动阀调节的系统，变频调节的节能效果更优。本发明的方法使用的器件主要包括PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、PLC扩展AD转换模块、PLC扩展DA转换模块、压力变送器、差压变送器、平衡容器、变频器、给水泵和电源模块，通过测定数据存储和编程后完全可以实现自动控制。各器件的功能分配：通过设计的PLC控制程序实现逻辑控制、通过触摸屏进行实际操作、AD转换模块连接压力与差压变送器进行锅炉工作采集、DA转换模块调节变频器频率来控制给水泵，电源模块负责为PLC及扩展、触摸屏、传感器提供DC电源，本方法充分利用PLC的PID(比例、积分、微分)运算、数据处理与存储、逻辑控制和灵活IO扩展功能，实现从压力、水位或差压采集到最终的变频水泵控制的全部逻辑控制程序。

在详细说明本发明的实施方式之后，熟悉该项技术的人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围，且本发明亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。

Claims (3)

1.一种蒸汽锅炉的变频给水控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A：在锅炉额定工作压力以下从低到高划分出若干个压力点，最高压力点为锅炉额定工作压力；

B：测定对应于以上划分的各压力点的变频给水最低频率和变频给水最高频率，其中：某压力点的变频给水最低频率对应的泵后出口水压为该压力；某压力点变频给水最高频率对应的泵后出口水压为该压力加上PΔ２，PΔ２为水泵最高扬程时对应的出口水压与锅炉额定压力的压力差；

C：变频给水时，测定当前锅炉的实际工作压力，根据锅炉的实际工作压力找出对应于步骤B内的变频给水频率工作区间，当锅炉的实际工作压力与步骤B中的某个压力点一样时，该压力点所对应的变频给水最低频率和变频给水最高频率即为实际的变频工作区间，当锅炉的实际工作压力与不在步骤B中的压力点上时，找出步骤B中与锅炉的实际工作压力最接近的上下两个压力点，根据这两个压力点所对应的变频给水最低频率和变频给水最高频率按照线性方法计算出当前锅炉实际压力下的变频给水最低频率和变频给水最高频率，即为当前锅炉压力下变频给水的频率区间；

D：调节变频给水设备的频率处于步骤C所得到的变频给水的频率区间内给锅炉供水。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽锅炉的变频给水控制方法，其特征在于：步骤A中从零开始从低到高划分出若干个压力点，各压力点间隔相同，最大压力点为锅炉的额定压力。

3.根据权利要求1所述的一种蒸汽锅炉的变频给水控制方法，其特征在于：步骤A中的压力点数不少于10个。