变频器在工业锅炉中的应用.doc
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1、变频器在工业锅炉中的应用目录引言1第一章 锅炉控制系统的设计2第二章 三相异步电动机调速原理6第三章 变频器定义及应用8第四章 变频器的原理和维护10结束语13参考文献14目录15引言在工业锅炉中由于锅炉系统中包含鼓风机,引风机,给水泵,等大功率电动机。由于锅炉本身特性和选型的因素,这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的,原有方式采用阀门和挡板控制流量,能耗浪费非常严重。据统计风机、泵类电动机用电量占全国用电量的31%,占工业用电的50%。而风机和泵类负载的耗电功率又基本与转速的三次方成正比.因此当用户需要的流量较小时可以应用变频调速技术降低风机或泵的转速达到节能的目的,节电率可达20%-60
2、%。工业锅炉的燃烧自控制由给煤量、送风量和炉膛负压三个部分组成.在正常情况下当锅炉主蒸汽压力偏离给定值时锅炉微控系统主机按照规定的控制算法调节给煤机转速。改变给煤量时系统主机发出控制信号给鼓风机变频器模拟量输入通道改变电动机转速先按风/煤比的规律粗调送风量微控系统主机再按送风量的大小发出控制信号给引风机变频器模拟量输入通道改变电机转速粗调引风风量然后分别以烟气中的含氧量为指标细调鼓风机转速给定炉膛负压为指标细调引风机转速以满足静态控制精度的要求。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交直交方式(VVVF变频或矢
3、量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机,变频器的控制包括主回路控制和控制回路控制两部分.主回路的控制由三极空气开关SA、接触器KM来完成。控制回路的控制可分为三个部分,即启动控制电路负荷反馈控制电路和报警、复位控制电路;启动控制电路由万能转换开关、磁力线圈及按纽等组成.负荷反馈电路由信号调理器构成。变频器输出的反映负荷变化的负荷反馈信号通过信号调理.输出为通用仪表和计算机所能接受的电流信号010mA或420mA.报警、复位控制电路主要完成变频器出现故障时发出信号和系统强制停机等功能。此外变频器还可以通过人工手动控制
4、改变速度设定的模拟量信号输入值来改变变频器输出交流电压频率、进一步改变异步电动机的转速以达到控制生产过程的目的。变频器也能与DDZ型仪表和DDZ型仪表构成闭环控制系统与微机控制共同完成生产过程最完善的自动化控制经济运行和节能效果十分显著。15第一章 锅炉控制系统的设计1.1锅炉的基本构造在各种工业企业的动力设备中,锅炉是重要的组成部分,所以锅炉的性能至关重要。要设计一套完整的、性能良好的工业燃烧锅炉,首先就必须了解一般燃烧锅炉的基本构造和燃烧过程。锅炉是一种产生蒸汽或热水的热交换设备。它通过燃料的燃烧释放大量热能,并通过热传递把能量传递给水,把水变成蒸汽或热水,蒸汽或热水直接供给工业和生活中所
5、需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。下图为简单锅炉的大体组成部分。锅炉简图锅炉的主要设备包括气锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧设备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃料供给设备以及除灰除尘设备等。1) 气锅:由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热,因而管簇内发生自然的循环流动,并逐渐气化,产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。2) 炉子:是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。3) 炉膛:保证燃料的充分燃烧,并使水流受热面积达到规定的数值。4) 锅筒:使自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。5) 水冷壁:主要是
6、辐射受热面,保护炉壁的作用。6) 过热器:是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。7) 省煤器:是利用余热加热锅炉给水,以降低排出烟气温度的换热器。采用省煤器后,降低了排烟温度,提高了锅炉效率,节省了燃料。同时,由于提高了进入气包的给水温度,减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力,从而延长了汽包的使用寿命。8) 燃烧设备:将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定,充分燃烧。引风设备:包括引风机、烟道和烟囱等几部分。用它将锅炉中的烟气连续排出。送风设备:包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。给水设备:由水泵和给水管组成。9) 空气预热器:是继
7、续利用离开省煤器后的烟气余热,加热燃料燃烧所需要的空气,是一个换热器。省煤器出口烟温度高,装上空气预热器后,可以进一步降低排烟温度,也可改善燃料着火和燃烧条件,降低不完全燃烧所造成的损失,提高锅炉机组的效率。10) 水处理设备:其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度,以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。11) 燃料供给设备:由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成,保证锅炉所需燃料供应。1.2锅炉总控制系统原理锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、油或燃气等燃料的燃烧释放出化学能,并通过传热过程将能量传递给水,使水转变为蒸汽,蒸汽直接供给工业生产中所需的热能,或通过蒸汽动力机转变为机能,或通过汽轮
8、发电机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸汽的热能。因此,近代锅炉亦称为蒸汽发生器。锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程:燃料的燃烧过程 、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。上位计算机变频器S7-300PLC继电器链条电机引风电机构鼓风叶轮减速机鼓风电机给水执行机构减速机减速机炉排走速汽包水位引风叶轮总控制原理框图1.3水位控制系统给水泵将经过除氧的水经过省煤器打入锅炉汽包,省煤器可以利用锅炉燃烧排出的烟气使锅炉的给水预先加热,以节省一定的能量,水在锅筒中加热变成蒸汽输出,锅简中的水位需要保持恒定。在给水泵后加有电动执行器,用于控制给水阀门,通过调节给水
9、阀门调节可以调节给水量的大小,从而调节锅炉水位,以此来控制锅炉的水位。在正常运行时,给水调节阀由蒸汽流量、汽包水位和给水流量的三冲量控制,汽包水位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入,蒸汽流量信号经温度、压力修正后与给水流量信号一起作为副调节的反馈输入。启动时只有汽包水位的单冲量控制。汽包水位过高,会影响汽包内汽水分离,饱和水蒸汽带水过多,使过热蒸汽温度降低;水位过低,负荷增大时,水的汽化速度加快,汽包内水量迅速减少,如不及时调整,会使汽包内的水全部汽化,危及锅炉安全。当负荷非常不稳定时,给水流量的扰动,使汽包水位有较大延迟,蒸汽流量变化,会出现虚假水位,使得三冲量难以运行,因此先以单冲量投入运
10、行,使工况稳定后再投入三冲量,也求单冲量和三冲量两种控制方式能方便地进行无扰切换。给水控制原理框图锅炉汽包水位自动控制的目标就是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包水位是锅炉运行的主要指标,是一个非常重要的被控变量,维持汽包水位在一定的范围内保证锅炉安全运行的首要条件。这是因为:水位过低,则由于汽包内水量较少,而负荷却很大,水的汽化速度又很快,因而汽包内的水量变化速度很快,如果不及时控制,就会使汽包内的水全部汽化,导致锅炉烧坏和爆炸。水位过高会影响汽包的汽水分离,产生蒸汽带液的现象,会使过热器管壁结垢导致破坏,同时过热蒸汽温度急剧下降,该蒸汽作为汽轮机的动力,还会损坏
11、汽轮机叶片,影响运行的安全和经济性。汽包水位过高或过低的后果极为严重,所以必须严格加以控制。本系统控制的汽包水位要求在20 10 cm之间。1.4 过热蒸汽汽温控制锅炉正常运行时不仅要求主汽压力稳定,而且要求主汽温度稳定。主汽温度是反映机组运行情况的一个重要参数。如果主汽温度偏高,过热器及汽机将在更加恶劣的环境下运行,材料的使用寿命将会缩短。相反,如果主汽温度偏低,则汽机达不到预定的运行效率。因此,机组正常运行时要求主汽温度稳定。主汽温度测量值作为主调的反馈输入值,与主汽温度设定值进行PID 运算后送入副调,在副调中与减温器出口汽温进行控制运 算,其结果经限幅后由手操器输出至执行机构,调节喷水
12、减温的控制阀。由于主汽流量变化时,喷水量应相应地发生变化,故在主汽温度控制方案中把主汽流量信号以前馈形式引入控制系统中。蒸汽温度控制系统框图1.5 燃烧控制系统锅炉燃烧系统是一个复杂的多变量耦合系统。输入量有:给煤量、鼓风量和引风量;输出量有:蒸汽压力、烟气含氧量(燃烧的经济性)、炉膛负压。燃料是热量的唯一来源,给煤量的变化直接影响锅炉提供的蒸汽量,也影响汽包压力的变化,是燃烧系统的主控量。鼓风量的变化产生不同的风煤比和相应的燃烧状况,表现出不同的炉膛温度,并决定炉膛损失的大小,直接决定着锅炉能否经济运行。在送风量改变的同时也改变引风量,使炉膛负压保持稳定,保证锅炉安全运行。这三个控制子回路组
13、成了一个不可分割的整体,统称为锅炉燃烧控制系统,共同保证锅炉运行的机动性、经济性和安全性。炉膛负压PID1PID1高负荷运行PLC模块蒸汽压力PID2PID1低负荷运行鼓风电机鼓风变频引风变频引风电机炉排变频炉排电机燃烧控制系统框图变频器在工业锅炉中的应用第二章 三相异步电动机调速原理2.1三相异步电机调速原理三相异步电动机主要由定子、转子、转轴组成,当在定子绕组上加上三相交流电压时,将会产生一个旋转磁场,该旋转磁场的速度由加在定子绕组上的三相交流电压的频率所决定。位于该磁场中的转子绕组,将切割旋转磁场的磁力线,根据电磁感应原理,在转子绕组中将产生感应电动势和感应电流,感应电流与旋转磁场的磁通
14、互相作用而产生电磁力,即转矩。转子及转轴将沿着与旋转磁场相同的方向旋转。任意改变三相定子绕组的两个电压相位,即可使磁场旋转的方向发生改变,电动机的转向也将随之变化,即可逆控制。旋转磁场的转速称为同步转速,同步转速是根据电动机的极数和电源频率来决定的。由于需要有转矩输出,电动机的实际转速总是落后于同步转速,它们之间的差值称为转差率。根据异步电机转速公式:n=60f(s-1)/pn:-转速 f:-频率s:-转差率p:-极对数2.2三相异步电机调速方式由上式可知交流电机调速方法主要有三大类:其一是在电机中旋转磁场的同步转速n0恒定时,调节转差率,称为变转差率调速;其二是调节供电电源频率f1,称为变频
15、调速;三是改变电机定子绕组的极对数,称为变极调速。(1)变极调速:变极调速一般是通过改变定子绕组的接线方式来改变电动机的定子绕组极对数,从而达到调速的目的。它既不是恒转矩调速方式,也不是恒功率调速方式。可以通过改变电机的极对数和电源频率来达到改变电机转速的目的交流电机调速方法主要有三大类:其一是在电机中旋转磁场的同步转速n0恒定时,调节转差率,称为变转差率调速;其二是调节供电电源频率f1,称为变频调速;三是改变电机定子绕组的极对数,称为变极调速。优点:a) 具有较硬的机械特性,稳定性良好。b) 无转差损耗,效率高。c) 接线简单、控制方便,易维修、价格低。缺点:有级调速,级差较大,不能获得平滑
16、调速,且由于受到电动机结构和制造工艺的限本方法适用于不需要无级调速的生产机械,如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。通常只能实现3种极对数的有级调速,调速范围相当有限。(2)变转差率调速:变转差率调速实现方法众多,例如调压调速、转子串电阻调速、串极调速和滑差离合器调速等方法。交流电动机的输出功率PZ的表达式为:.其中电磁转矩,电机旋转磁场的速度,s旋转磁场的同步速度,s 转差率。式中sPM称为交流电动机的转差功率,这一部分功率主要消耗在转子阻抗上。因此,当增大时,电动机的损耗也将会增大。由此可以看出,调节电机转差率调速是一种耗能的调速方法,是低效率的调速方式。(3)变频调速:变频调速
17、是通过改变电动机定子电源的频率,来实现调速的方法,即调节s来调速。转矩恒定时,基本不变,交流电动机的输出功率Pz=M=Ms(1-s)与输入电磁功率成比例变化,损耗基本没有增加,是一种高效的调方法。优点:(1)变频调速设备(简称变频器)结构复杂,价格昂贵,容量有限。但随着电力电子技术的发展,变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展。(2)变频器具有机械特性较硬,静差率小,转速稳定性好,调速范围广(可达10:1),平滑性高等特点;可实现无级调速,这是与变极调速的最大区别.(3)变频调速时,转差率s较小,则转差功率损耗较小,效率较高。(4)可以证明:变频调速时,基频下的调速为恒转矩
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- 变频器 工业锅炉 中的 应用