熱水鍋爐自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)

蘭國(guó)志

摘 要：近年來(lái)，鍋爐數(shù)量大大增加，尤其是在我國(guó)的北方地區(qū)，熱水鍋爐更是受到了普遍歡迎。文章論述了熱水鍋爐定壓補(bǔ)水的幾種方式，各定壓補(bǔ)水方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，并介紹了在定壓補(bǔ)水自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的幾種電氣實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)水定壓；閉環(huán)控制；PID；PLC；DCS

1 定壓方式

1.1 膨脹水箱定壓

如圖1所示。此種定壓方式是在熱水鍋爐系統(tǒng)的最高點(diǎn)安裝開(kāi)口式膨脹水箱，當(dāng)鍋爐系統(tǒng)壓力升高時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)水會(huì)自動(dòng)進(jìn)入膨脹水箱以減小系統(tǒng)壓力；當(dāng)鍋爐系統(tǒng)壓力降低時(shí)，膨脹水箱內(nèi)的水會(huì)自動(dòng)進(jìn)入供暖系統(tǒng)以增大系統(tǒng)壓力。在水箱內(nèi)設(shè)置電接點(diǎn)式水位傳感器控制補(bǔ)水泵啟停。

圖1 膨脹水箱定壓方式

1、膨脹水箱；2、電接點(diǎn)液位計(jì)；3、補(bǔ)水箱；4、循環(huán)水泵；5、補(bǔ)水泵

采用膨脹水箱的定壓補(bǔ)水方式具有初次投資省、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)；但是開(kāi)式水箱與大氣聯(lián)通，會(huì)引起管道系統(tǒng)的氧化腐蝕，另外水箱需安裝在鍋爐的頂層，維護(hù)與管理不方便，因此這種補(bǔ)水定壓方式僅適用于小型熱水鍋爐[1]。

1.2 補(bǔ)水泵定壓

如圖2所示，此種定壓方式是由電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行控制的，當(dāng)鍋爐水溫降低、系統(tǒng)壓力減小時(shí)，電接點(diǎn)壓力表發(fā)出壓力低信號(hào)，從而控制補(bǔ)水泵啟動(dòng)補(bǔ)水；當(dāng)系統(tǒng)壓力正常后，補(bǔ)水泵停止補(bǔ)水；當(dāng)鍋爐水溫升高、系統(tǒng)壓力增大時(shí)，電接點(diǎn)壓力表發(fā)出壓力高信號(hào)，控制電磁閥排水；當(dāng)系統(tǒng)壓力正常后，電磁閥停止泄水。

圖2補(bǔ)水泵定壓方式

1、電接點(diǎn)壓力表；2、排水電動(dòng)閥；3、水箱；4、補(bǔ)水泵；5、循環(huán)水泵

補(bǔ)水泵定壓補(bǔ)水的方式改變了使用膨脹水箱補(bǔ)水時(shí)易腐蝕、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)，且運(yùn)行穩(wěn)定。但此種定壓補(bǔ)水方式只適用于小型熱水鍋爐。

1.3 變頻控制補(bǔ)水泵定壓

此種定壓方式與圖2相似，“元件1”不能使用電接點(diǎn)壓力表，應(yīng)使用壓力信號(hào)連續(xù)變化的壓力變送器，補(bǔ)水泵的啟停及轉(zhuǎn)速由變頻器控制。這一補(bǔ)水定壓方式是采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)補(bǔ)水泵進(jìn)行閉環(huán)控制。

首先，電源經(jīng)過(guò)變頻器變頻后進(jìn)入電機(jī)，變頻器輸出的頻率由小到大平穩(wěn)增加，即對(duì)電機(jī)實(shí)行軟啟動(dòng)，系統(tǒng)壓力信號(hào)通過(guò)變送器送入微機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)壓力信號(hào)及變頻反饋信號(hào)的調(diào)整，以控制變頻器輸出整定頻率。根據(jù)熱水鍋爐系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)壓力取樣點(diǎn)壓力為P，壓力變化范圍為△p，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于p-1/2△p時(shí)，使上位機(jī)控制變頻器提高頻率；當(dāng)系統(tǒng)壓力高于p+1/2△p時(shí)，使上位機(jī)控制變頻器降低頻率，以降低水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少補(bǔ)水量和壓力。頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：n=60f（1-Sn）/P，式中n為水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速（異步電機(jī)）；F為電源頻率；Sn為電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)，即電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速之差，一般為5%左右；P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由上式可看出，當(dāng)P、Sn一定時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速與輸入電源的頻率成正比。

此種變頻控制補(bǔ)水泵的定壓方式一次性投資大，但其具有啟動(dòng)、停止平穩(wěn)、延長(zhǎng)水泵使用壽命、能耗低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 電氣控制方案

2.1 補(bǔ)水泵啟停自動(dòng)控制

控制原理如下圖所示：

圖3 補(bǔ)水泵啟動(dòng)控制電路圖

使用電接點(diǎn)壓力表設(shè)定補(bǔ)水下限壓力及上限壓力，正常運(yùn)行時(shí)將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)撥至自動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)壓力低時(shí)，壓力表發(fā)出壓力低信號(hào)，中間繼電器K2吸合，接觸器KM1吸合，補(bǔ)水泵補(bǔ)水加壓；加壓至正常壓力后，壓力表發(fā)出壓力高信號(hào)，中間繼電器K1吸合并且中間繼電器K2斷開(kāi)，中間繼電器K1常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，接觸器KM1斷開(kāi)，補(bǔ)水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)設(shè)有運(yùn)行及停止指示燈，并有手自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試或壓力信號(hào)故障時(shí)，可使用手動(dòng)補(bǔ)水。

2.2 定壓排水自動(dòng)控制

定壓排水控制電路與上圖相同，只是主電路不同，將接觸器KM1常開(kāi)主觸點(diǎn)與排水電磁閥線(xiàn)圈連接構(gòu)成主電路即可。

控制過(guò)程與定壓補(bǔ)水相似，當(dāng)系統(tǒng)溫度持續(xù)升高導(dǎo)致壓力過(guò)高時(shí)，中間繼電器K2吸合，接觸器KM1吸合，電磁閥打開(kāi)，系統(tǒng)排水降壓；當(dāng)壓力降低至排水壓力上限時(shí)，中間繼電器K1吸合，接觸器KM1斷開(kāi)，電磁閥關(guān)閉，系統(tǒng)停止排水。

2.3 PID控制補(bǔ)水泵頻率

PID調(diào)節(jié)的變頻調(diào)速恒壓供暖補(bǔ)水系統(tǒng)，是通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵的輸出流量，使系統(tǒng)壓力保持不變，以實(shí)現(xiàn)恒壓補(bǔ)水[2]。

首先將壓力信號(hào)通過(guò)壓力傳感器轉(zhuǎn)換為4～20ma電流信號(hào)，送入PID控制器，再與給定信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)P（比例）、I（積分）、D（微分）運(yùn)算，同樣輸出4～20ma電流信號(hào)，送到變頻器的頻率給定端子，控制變頻器輸出給定頻率，即改變了補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)了補(bǔ)水量，使管網(wǎng)壓力保持恒定。同時(shí)，PID控制器還輸出一個(gè)高壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)和低壓開(kāi)關(guān)信號(hào)，送入PLC、DCS或上位機(jī)等，可作為另一臺(tái)工頻泵自動(dòng)啟動(dòng)或停機(jī)的條件之一。上位機(jī)除了接受PID輸出的高低壓開(kāi)關(guān)信號(hào)，還要接受變頻器輸出的高、低頻率檢測(cè)信號(hào)；變頻器停止信號(hào)；及方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)和啟動(dòng)、停止信號(hào)，按照設(shè)定的程序，可控制兩臺(tái)或多臺(tái)泵配合工作。

PID參數(shù)調(diào)節(jié)是最為關(guān)鍵的一步，要在管網(wǎng)有壓力的情況下調(diào)整PID參數(shù)。因?yàn)镈（微分）控制對(duì)輸入信號(hào)的變化速度極其敏感，致使其抗干擾能力較差，調(diào)節(jié)不好反而容易造成振蕩，而補(bǔ)水只要求壓力穩(wěn)定，對(duì)快速性要求不高，所以把D值設(shè)為0，只采用PI調(diào)節(jié)即可。由于管網(wǎng)容量大，管路長(zhǎng)，跑冒滴漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，會(huì)造成壓力不斷變化，而且每改變一次參數(shù)，都要等一段時(shí)間才能看到結(jié)果，所以要有耐心，并且要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定P值和I值。

PID控制的熱水鍋爐自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：自動(dòng)化程度較高、節(jié)能、靈活可靠，軟起、軟停可以減少對(duì)管網(wǎng)的沖擊，使補(bǔ)水泵及管網(wǎng)其他設(shè)備壽命大為提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，小型供熱站及大中型集中供熱系統(tǒng)日益增多，鍋爐的定壓補(bǔ)水系統(tǒng)尤為重要，要根據(jù)供熱站的規(guī)模和實(shí)際情況選擇一種最適用的自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)，以達(dá)到運(yùn)行安全、平穩(wěn)、節(jié)能的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]張弈宜.甘肅科技[J].熱水供暖系統(tǒng)補(bǔ)水定壓方式淺議，第20卷 第7期 2004年7月.

[2]張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011，128-129.