PLC及變頻調速技術在油泵恒壓供油系統中的應用

摘要：根據鍋爐供油系統的要求，采用PLC與變頻調速技術對供油系統油泵啟、停機及油壓控制回路進行了改進，并在控制系統中引進了智能控制技術和數字PID在線控制技術。對系統壓力實時跟蹤及PID調節，進而達到穩定系統壓力的目的。

關鍵詞：PLC；變頻調速；恒壓供油；控制系統

中圖分類號：TF341 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0039-04

1 概述

目前，火力發電廠的鍋爐啟停及助燃均需依靠供油系統，即便在已經裝設了等離子點火系統的鍋爐，也不能完全保證在所有工況下全部實現無油，因此，供油系統是火電機組必須設置而且極為重要的一套系統，一般發電廠供油系統與機組并不采用單元制方式，而是作為公用系統存在，其穩定運行更與全廠機組安全密切相關。元寶山發電公司總裝機容量2100MW，擁有1×300MW+3×600MW共計4臺機組，每臺機組均配置16臺出力為2.5t/h的油槍。公用的供油系統配置三臺輕油泵，編號為4、5、6號（1、2、3號泵為重油泵，已取消）。原設計采用工頻運行方式，鍋爐燃油時兩臺油泵需同時運行，油壓調整由回油調節門控制，燃油母管壓力作為被調量。供油泵的設計參數見表1。

長期以來，鍋爐燃油時要求恒壓與回油壓力調節閥的調節質量二者之間的矛盾越來越突出，經常出現油壓波動較大、無法準確調節燃油壓力的現象，給鍋爐燃燒帶來很大隱患。曾經在2號機組啟動過程中，鍋爐保持一臺磨煤機投粉運行，由于回油調節門突然失控，造成油壓由3.8MPa瞬間降至1.2MPa，油槍運行中突然滅火失去助燃作用，鍋爐發生爆燃事故。分析造成此類問題的原因主要有兩個：一是回油調節閥根據系統壓力進行調節，有時鍋爐燃油量變化較快，由此造成系統油壓變化大，回油調節閥經對多年運行后存在內漏現象，當油槍臺數多時，需要大幅度關閉閥門開度在1%～10%左右，而閥門調節動作時間按照線性規律調節，這樣即使閥門稍有動作，也會造成油壓的大幅波動，同時閥門動作指令接受油壓給定值與測量值偏差信號，較大的偏差信號要求較小的閥門開度來調節，由此出現調節振蕩現象。二是控制系統元件老化嚴重，調節回路動作遲緩，這也是造成回油調節閥無法達到調節品質的一個重要原因。除此之外，原有的調節方式也給油區運行人員增加了額外工作量，由于回油調節閥內漏嚴重，往往閥門關閉后仍無法保證燃油壓力，需要運行人員手動操作回油調節閥前手動門，手動調整的結果一方面調節品質更差，另一方面也存在誤操作的可能。由此可見，原有供油系統的油壓調節方式已經無法保證機組的燃油要求。

鑒于上述原因，元寶山發電公司積極尋求更為合理的供油系統油壓調節方式，來保證機組的安全穩定運行。近年來，變頻調速技術越來越廣泛應用到工業領域，這種新型成熟的交流電機無極調速技術，控制性能獨特、控制品質優良，同時兼具良好的節能效果，在石油儲運行業普遍應用。在多次實地調研的基礎上，元寶山發電有限責任公司決定大膽采用該項技術，并對油區輕油供油控制系統進行了改造，加裝了變頻器和智能控制設備，并對供油泵啟停控制及供油壓力調節回路重新進行了邏輯設計，經過短期的完善過程，供油系統已經趨于穩定運行狀態，改造后再未發生油壓大幅波動的現象，有利地保障了鍋爐的安全運行。

2 供油管路油壓調節原理

當鍋爐需要燃油時，先手動以變頻方式啟動一臺油泵，如達不到設定壓力，第二臺泵再啟動，并保證兩臺泵的頻率基本相同時，變頻調節器投入自動控制，兩臺變頻調節器接受人為設定油壓信號。一臺運行泵的電氣部分突然出現故障或者壓力異常下降時，停止故障油泵，另一臺油泵及時調節，并且聯動第三臺油泵在20秒的時間內將壓力調節穩定，在此期間供油系統只是瞬間小幅度波動，然后趨于穩定。當油槍臺數變化使供油管路壓力變化時，系統實際壓力與給定壓力的偏差送至變頻調節器，變頻調節器改變輸出頻率，繼而改變油泵轉速，最終實現無差調節，保證恒壓供油。

改造后的操作界面具有人機對話功能，可隨時通過人機操作面板顯示電壓、電流、頻率、壓力等數據，便于運行人員監視，運行人員也可以通過操作面板任意設定壓力調節定值。

3 系統硬件構成

系統采用壓力變送器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，實現所需功能。圖3為3臺泵恒壓供油系統的電氣接線圖，從系統結構看，該系統具有變頻控制和工頻控制兩套功能，使供油系統的安全保障性增強，配置更加科學、

合理。

3.1 壓力變送器

供油壓力變送器安裝在三臺供油泵出口母管，將測量得到的供油管路的油壓信號轉化為4～20mA的電流信號，提供給PLC與變頻器。

3.2 變頻器

變頻器既是油泵電機的控制設備，也是油壓控制設備，能將設定油壓與實際油壓的偏差信號轉化為0～50Hz的頻率信號供給油泵電機，調整其轉速。變頻器功能強大，預置了多種應用宏，即預先編置好的參數集，應用宏將使用過程中所需設定的參數數量減小到最小，參數的缺省值依應用宏的選擇而不同。系統采用PID控制的應用宏，進行閉環控制。該宏提供了6個輸入信號：啟動/停止（D11、D15）、模擬量給定（A11）、實際值（A12）、控制方式選擇（Dn）、恒速（DB）、允許運行（D14）；3個輸出信號：模擬輸出（頻率）、繼電器輸出1（故障）、繼電器輸出2（運行）；DIP開關選擇輸入0～10V電壓或0～20mA電流值（系統采用電流值）。變頻器根據給定值A11和實際值A12，即根據恒壓時對應的電壓設定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號，利用PID控制宏自動調節，改變頻率輸出值來調節所控制的油泵電機轉速，以保證管網壓力恒定要求。

3.3 三臺供油泵控制

根據泵站供油實際情況與需求，利用3臺油泵分別由3臺變頻器來控制調節供油系統量大小，因此除改變油泵電機轉速外，還要通過增減運行泵的臺數來維持油壓恒定，當運行泵達到預設頻率而供油系統仍達不到恒壓要求時，則啟動預先的備用油泵運行，并且平穩增加油壓，在盡短時間內達到所需油量要求，并維持平穩。反之，當變頻器輸出頻率降至最小，供油壓力仍過高時，要切除一臺運行泵。所以不僅需要開關量控制，還需數據處理能力，采用FX-4AD（4模擬量人）獲得模擬量信號。它在應用上的一個重要特征就是由PLC自動采樣，隨時將模擬量轉換為數字量，放在數據寄存器中，由數據處理指令調用，并將計算結果隨時放在指定的數據存儲器中。通過其可將壓力傳感器電流信號及變頻器輸出頻率信號轉換為數字量，提供給PLC，與恒壓對應電流值、頻率上限、頻率下限（考慮到油泵電機在低速運行時軸承潤滑可靠，必須保證其頻率不低于21Hz，因此頻率上限設為工頻43Hz，下限設為21Hz）進行比較，實現泵的切換與轉速的變化。系統在設計時應使油泵在供油穩壓過程中盡可能快，以保證供油的連續性，油壓波動盡可能小，從而提高供油質量。

4 系統軟件設計

控制系統軟件是指用梯形圖語言編制的對3臺泵進行控制的程序。它對3臺泵控制，主要解決系統的手動及自動切換、各元件和參數的初始化、信號及通訊數據的預處理、3臺泵的啟動、切換及停止的條件、順序、過程等問題。當變頻器輸出頻率達到頻率上限43Hz，供油壓力未達到預設值時，發出啟泵指令，投入下一臺泵供油。當供油壓力達到預設值，變頻器輸出頻率降到頻率下限21Hz時，發出停泵指令，切除運行中的一臺泵。系統剛啟動時，情況簡單，首先啟動一號泵即可。但考慮3臺泵聯合運行時情況復雜，必須預先設定增減油泵的順序。即獲得加泵信號后，按照4號泵、5號泵、6號泵的順序優先考慮。獲得停泵信號后，按照6號泵、5號泵、4號泵的順序優先考慮。

為增強系統運行的可靠性，系統還具有故障跳泵后自動補償功能，也就是三臺泵聯動狀態，當啟動運行的兩臺泵突然有一臺發生故障，另一臺泵可以立即啟動補償壓力，在啟停泵時同時設置了元件動作順序及延時，防止誤動作發生。系統切換泵流程見圖4：

5 系統參數的確定

變頻器根據供油設定壓力與實際壓力偏差調節PID的參數，當運行參數遠離目標參數時，調節幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統達到一個動態平衡，維持系統的恒壓穩定狀態。

6 控制方式

自動PID調節：使某（幾）臺變頻器處于自動方式，使其處于PID自動狀態，將供油壓力設定值調整到所需值，然后按相應的一個“變頻器啟動”按鈕，此時，變頻器即按照預置的控制策略運行。

手動PID控制：使某（幾）臺變頻器處于手動方式，將“變頻手動輸出”調整到所需頻率。按相應的變頻器啟動按鈕，此時，變頻器按照手動輸出頻率控制油泵運行。

脫機控制：使某臺或某幾臺變頻器處于手動方式（“變頻器自動/手動”開關置于“手動”位置）在變頻器的操作面板上進行控制。

在#4、#5、#6輕油供油變頻器柜加裝了手動控制設備，目的是在輕油供油自動控制設備出現嚴重故障而無法及時恢復正常狀態時，可以及時、快速投入該套手動控制設備，使用安裝在變頻器柜上的電位器進行壓力調整，滿足為機組正常供油需要。

7 參數修改

在控制柜顯示模塊上可以對現場參數設定、運行工況進行顯示。可以設定#1、#2、#3變頻器的運行參數，設定供油壓力，顯示供油總管壓力，顯示各變頻器的工作參

數等。

在其畫面6或畫面8顯示時，按F8+F2鍵，即可以進入參數修改狀態。第一個可修改的通用數以反襯形式顯示。此時，用F1、F7、F8、F3、F4鍵進行參數修改，用F5鍵或F6鍵取消或確定修改過程。

實例：修改壓力設定值（2500kPa）。

（1）切換到畫面6。

（2）按F8+F2鍵（進入參數修改狀態）。

（3）按F1鍵2次，此時“設定值”以反襯形式顯示為“/0/0/0/0/”，按F7鍵兩次，顯示為“/0/0/0/2/”。

（4）按F3鍵，顯示為“/0/0/2/0/”，按F7鍵5次，顯示為“/0/0/2/5/”，按F3鍵兩次，顯示為“/2/5/0/0/”，按F6鍵，確認輸入值。如果輸入有誤，按F5鍵取消此次操作。

8 存在問題

由于網管覆蓋面積較大，供油泵站海拔高度相對較低，遠端（特別是#3、#4機組）供油壓力要維持3MPa，在泵站出口油壓就必須維持4MPa。

管道中若存在空氣會導致油壓震蕩問題，因此必須保證管道的密閉性或管道檢修后將管道中的空氣排盡，才能投入正常供油運行。

9 運行效果

此次改造應用于元寶山發電有限責任公司供油系統的運行實際，改造范圍小，投入費用少。通過變頻轉速調節替代了回油壓力調節，避免了油泵啟動瞬間對管路、閥門形成沖擊，實現了供油系統的恒壓調節，系統可靠性及自動化程度得到很大提高，保證了鍋爐燃油期間的安全穩定運行。而變頻代替工頻的運行方式，使泵運行軸功率降低30%左右，又取得一定的節能效果。

參考文獻

[1] 呂汀，石紅梅.變頻技術原理與應用[M].北京：機械工業出版社.

作者簡介：王景虎（1977—），男，內蒙古赤峰人，內蒙古赤峰市元寶山發電有限責任公司生產技術部工

程師。