DCS在風機變頻調速系統中的應用與設計

摘要：通過采用變頻技術和DCS穩定的計算機控制技術，能夠實現引送風機轉速的改變控制風量大小，達到節能降耗的目的。把DCS系統融入到電子系統中，能夠有效提升電氣設施的工作效率，將會影響我國電力系統的自動化發展。文章就DCS在風機變頻調速系統中的應用與設計的相關問題進行了探討。

關鍵詞：DCS；風機變頻調速；節能降耗；應用與設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH445 文章編號：1009-2374（2015）24-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.007

1 問題提出

公司5臺鍋爐（三用兩備），廠家：四川鍋爐廠，型號：CG220t/9.8。每臺鍋爐兩臺引風機和兩臺送風機，廠家：武漢鼓風機廠，引風機型號：LH-BR260SW（IDF），送風機型號：LH-FR145D，變頻器型號為：ZINVERT-A8H1150/10Y。鍋爐DCS控制系統為FOXBRO公司的I/A控制系統。

鍋爐的引送風機主要是進行恒速運作，依靠風門擋板的調節能夠控制風量。但是恒速運轉的電動機驅動風機，其自身就非常浪費資源。當我們調節鍋爐的蒸發量、鍋爐的溫度以及鍋爐的壓力時，一定要記得及時調節風門，讓其盡快適應負荷的變化。通過擋板位置的改變來控制送風量，風機電機本身利用的能量沒有多大變化，電動機的軸輸出功率也幾乎沒變，這時我們就可以改變風門來調節送風量，進而滿足鍋爐工作的需求，然而，這樣一來不僅會降低電能的利用率，還會增加額外的損耗。假如我們采用變速運作的模式，就會完成節能操控。

2 風機DCS變頻調速系統改造方案

圖1 風機DCS變頻調速系統框圖

2.1 變頻器與DCS接口

啟動變頻器（DI）：“遠程控制”方式下，驅動變頻器啟動指令。信號需求為3秒脈沖。有“待機狀態”反饋后，變頻器才能接受執行該命令。

停止變頻器（DI）：“遠程控制”方式下，驅動變頻器停止指令。信號需求為3秒脈沖。該指令相當于軟停，變頻器執行該指令后，開始減速，減速至停止頻率后，自動停止輸出功率，并進入“停止狀態”和“待機狀態”等待下次啟動。

風門/閥門位置反饋（DI）：在變頻器故障轉工頻率時，當風門或閥門關到設定值時，反饋給變頻的信號。信號需求為3秒脈沖。

工頻轉變頻（DI）：“遠程控制”方式下、且控制柜門背面的“手動旁路/自動旁路”旋鈕進行選擇“自動旁路”、“允許跳進線開關”合上，“允許合進線開關”合上，刀閘K1，K2合閘狀態下。

轉速給定（AI）：遠程頻率給定。DC4～20mA信號4mA對應1Hz，20mA對應50Hz；

同步轉速反饋（AO）：當前電機的同步轉速反饋，為理想空載轉速反饋。DC4～20mA信號，4mA對應1Hz，20mA對應50Hz；

輸出電流反饋（AO）：當前電機定子電流反饋，為變頻電流。DC4～20mA信號，4mA對應0安培，20mA對應2倍的電機額定電流。因此DCS程序中，該電流量程應設為2倍的電機額定電流。

輕故障（DO）：控制回路加電后變頻器循環自檢后的結果反饋。若運行時發生“輕故障”信號，表示變頻器發生輕微故障，但是照常輸出功率，若停止時發生，表示設備有輕微故障未被排除，但不影響啟動和運行

操作。

重故障（DO）：控制回路加電后變頻器循環自檢后的結果反饋。若運行時發生“重故障”信號，“運行”狀態信號隨即丟失，則變頻器立即封鎖控制脈沖并停止輸出功率，并進入待機重啟的程序，在設定的時間內（默認5秒），多次伺機自動重啟。若重啟成功后，變頻器重新輸出功率，“重故障”信號立刻消失，“運行狀態”信號隨即重現。

待機狀態（DO）：給變頻器送高壓后，單元中電容直流電壓>65%后，該信號自動產生，表示變頻器等待接收“啟動”指令。運行狀態輸出功率時，“待機狀態”立刻消失。

運行狀態（DO）：變頻器工作在輸出功率狀態。運行過程中，“重故障”產生時，“運行狀態”信號會

丟失。

停止狀態（DO）：變頻器沒有輸出功率的狀態。運行過程中，“重故障”自動消失時，“停止狀態”會

消失。

工頻狀態（DO）：指旁路柜中隔離刀閘、接觸器等開關設備的組合狀態，均分合到了工頻位置。與“變頻狀態”信號相反。

變頻狀態（DO）：指旁路柜中隔離刀閘、接觸器等開關設備的組合狀態，均分合到了變頻位置。與“工頻狀態”信號相反。

遠程控制（D0）：遠方可以驅動變頻器的“啟動”、“停止”、“急?！?、“復歸”、“變頻轉工頻”、“工頻轉變頻”指令。頻率給定方式不受此

控制。

就地控制（DO）：變頻器現場可以驅動變頻器的“啟動”、“停止”、“急?！?、“復歸”、“變頻轉工頻”、“工頻轉變頻”指令。頻率給定方式不受此

控制。

關風門/閥門信號：（DO）：變頻器在故障停機，自動轉到工頻時通知用戶關風門/閥門信號，最長一分鐘的脈沖信號，或當接收到風門/閥門位置反饋信號，此信號就會消失。

2.2 風機自動旁路柜的接線方案

圖2 風機變頻電氣一次接線原理圖

該方案由3個真空接觸器J1、J2、J3以及2個高壓隔離開關K1、K2組成，其中J1、J2、J3為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的切換。K1和K2為高壓隔離開關，一般情況下處于合閘狀態，僅在變頻器及真空斷路器檢修時拉開，用于電機工頻運行情況下對變頻器及真空接觸器進行安全檢修；并且J1、J2與J3電氣互鎖，防止電機同時工/變頻運行。QS為原風機電機高壓斷路器。變頻器功率單元柜由15個功率單元組成，每5個功率單元串聯組成一相，三相Y型連接。當其中某一相某個功率單故障時，同時切除其他兩相對應功率單元，不影響引風機的正常運行。

同時，為了保證引風機電機及變頻器安全、可靠、長周期運行，系統還設置有下列聯鎖保護。

變頻器啟動允許條件：風機高壓斷路器合閘條件保持原有條件不變，變頻器啟動允許條件為變頻器備妥及風機入口擋板關閉，變頻器備妥包括變頻器無重故障報警，K1、J1和K2、J2合閘，高壓斷路器已合閘。

高壓斷路器能夠合閘的條件：就是變頻器需要保持待機狀態，這樣就能進一步表明變頻器的自我檢查符合要求，能夠進行高壓操控。這個接點處需要與高壓開關的合閘進行串聯，完成后才能進行合閘。這個接點只有在閉合時才能正常工作。

工頻高壓斷路器的分閘處理：小車的位置發出有效信號后，接點處進行閉合，這樣高壓斷路器就已經完成分閘，而高壓斷路器進行合閘時，這個接點就會斷開。這個接點需要是無源的干接點。

緊急情況下的高壓分斷：這種情況發生的前提是變頻器出現了重大問題無法正常工作，變頻器就會自動運用斷路器QS進行高壓分斷。此處接點會與高壓斷路器的分閘進行連接，閉合接點之后就要分閘。

3 節能分析

3.1 直接經濟效益

根據風機平方轉矩負載關系式：P/P0=（n/n0）3計算，式中P0為額定轉速N0時的功率，P為轉速n時的功率。以一臺鍋爐使用的900kW引風機為例，運行工況為一天24小時連續運行，其中每天11小時運行在90%負荷（頻率按46Hz計算，擋板調節時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負荷（頻率按20Hz計算，擋板調節時電機功耗按70%計算），全年運行時間在300天為計算依據。

則每臺引風機變頻調速運行時，每年的節電量為：

W1=900×11×[1-（46/50）3]×300=657296.64kW·h

W2=900×13×[1-（20/50）3]×300=3285360kW·h

Wb=W1+W2=657296.64+3285360=3942656.64kW·h

擋板開度時的節電量為：

W1=900×（1-98%）×11×300=59400kW·h

W2=900×（1-70%）×13×300=1053000kW·h

Wd=W1+W2=59400+1053000=1112400kW·h

相比較節電量為：Wb-Wd=2830256.64kW·h

每度電按0.4元計算，則采用變頻調速每年每臺引風機可節約電費113.2103萬元。

3.2 間接收益

首先，可以促進電機的軟啟動，能夠減少頻繁操作引發的電機絕緣能力下降，進而增加電機的使用周期。

其次，能夠運用變頻調節讓擋板全部打開，降低了能量損耗，完成勻速運轉，符合峰值的要求，減少了電能損耗。

再次，由于負荷減少導致轉速變小，進而降低了機械摩擦損耗，可以適當推遲風機的維修時間，降低了維修成本。

最后，這樣還能實現高準確度的控制，提升抵抗干擾的能力，針對突發狀況能夠實施相應的保護，確保電機以及風機的穩定工作。

4 結語

最近幾年，我國的經濟飛速發展，社會對電力行業的需求越來越高，電力供求之間出現了不平衡，我國很多地區都進行了限制用電、拉閘進行節能。人們重視節能主要是因為節能不僅可以推動生產，減少資金投入比例，還能提升經濟效益。對于使用電力資源的我們來說，首先考慮的就是如何采取措施完成節能操作。經過一系列研究我們可以發現，DCS控制體系能夠實現對電氣設備的操控，這樣可以完善電力系統的控制系統，實現電能的統一節能管理。把DCS系統融入到電子系統中，能夠有效提升電氣設施的工作效率，將會影響我國電力系統的自動化發展。

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作者簡介：張增豪（1981-），男，廣西人，供職于廣西華銀鋁業公司計控部。

（責任編輯：周 瓊）