1 引言

工业锅炉根据其采用的燃料不同，通常分为燃煤、燃油和燃气3种。这3种锅炉的燃烧过程控制系统基本相同，只是燃料量的调节手段有所区别。对于集中供热系统中通常较为普遍采用的是燃煤方式。本文仅以我公司参与的“天津市八大片供热改造工程”中“天拖供热锅炉房”在风机、泵类负载上应用变频控制技术为例，详细介绍abb变频器在锅炉自动控制系统中的应用。

2 应用变频的必要性

对风机、水泵一类的设备，被广泛应用于工矿企业的各个方面，是电动机拖动的机械设备中应用最为广泛的一类机械。对这类设备的调节，历来的方法是通过调节风门、挡板或阀门的开度来完成。在调节过程中，由于电机的转速是不可变的，因此大部分的能量都消耗在了挡板及阀门上，造成了能量的浪费。变频调速技术的引入使以往的调节方式发生了根本性的变化。电动机的速度由原来的不可变，变为可变，电动机可以根据实际需求量实时的调节转速，加之这一类负载电动机的轴功率输出p与电动机转速n的立方成正比，因此可以获得巨大的节能效果。图1为在风机上应用变频调节与挡板调节电能消耗对比图表。从上述分析可知，“天拖供热锅炉房”的总设计能力为280mw(其中20t蒸汽锅炉3台，40t水锅炉2台，80t水锅炉3台)，至2001年12月止已投入运行的容量为220mw。其中所涉及的锅炉引风机、鼓风机、循环水泵、补水泵用变频器全部为abb acs600及acs400系列产品，功率范围从5.5kw-380kw(400v等级)。控制方案采用目前流行的dcs系统，能实现锅炉的自动燃烧运行。

图1 变频控制和挡风门控制的功耗对比

图2 自控系统框图

图3 锅炉燃烧系统框图

3 控制方案
3.1 控制方案概述

锅炉的燃烧系统是一个多参数对象，多扰动，各参数交叉影响的系统。当前所采用的连条式锅炉存在较大的不确定性、复杂性、不稳定性，以及较大的容量滞后和较长的滞后时间。因此，采用常规的pid调节很难达到控制要求，甚至无法投入自动运行。分析现有许多锅炉自动控制系统和链条式热水锅炉的运行情况，确实存在以下控制难点:
(1) 链条式热水锅炉从进煤量的变化到其燃烧产生热量，并使锅炉出口水温度发生变化需要较长的时间，即锅炉出口水温度纯滞后时间长、容量滞后大，用简单的pid控制很难获得理想的效果。
(2) 煤质的变化，造成风煤比的改变，采用一般的定值控制系统无法使系统始终运行在最佳或次最佳的燃烧状态。
(3) 燃烧过程机理复杂，影响燃烧工况的因素较多，对象变化较大，很难准确地建立单一的控制模型。

3.2 控制方案
针对以上情况，采用以下控制方案:
(1) 锅炉燃烧系统调节如图3所示,锅炉燃烧系统调节的主要任务是保证水温的稳定，同时保证锅炉的安全运行。除此之外，关键在于如何保证经济燃烧，这也是链条式热水锅炉节能降耗的关键所在，众所周知，经济燃烧问题，实质上就是进煤量和进风量的配比问题，如果能保证适当的风煤比，就可以实现最高的燃烧效率，实现经济燃烧。如果空气量不足造成不完全燃烧，产生co，这种情况除污染环境外还造成严重的热能损失;反之，当空气量过多时，将带走大量的热量，造成过剩的空气损失。由于现阶段的检测手段和检测设备尚不能方便地测得准确的进煤量和进风量，给整个风煤比的自动控制造成一定的难度，但进煤量与炉排转速、煤层厚度存在着一一对应的函数关系，而进风量同样与鼓风机的转速存在同样的关系，这可以巧妙地避开这一难题，使风煤比在整个运行过程中始终保持在最佳或次最佳。
还存在另一个难题，就是由于煤质的变化同样会造成风煤比比值的漂移，那么一个定值控制系统是无法适应煤质变化这一干扰的，所以在这里我们加入了自寻优控制方案，初次投运时，可根据经验和摸索初步设定调风煤比的给定值，系统投入自动并稳定后，定时启动自寻优功能，根据炉膛温度的变化和烟气含氧量的变化自动微调风-煤比至最佳或次最佳，达到经济燃烧。
这里用于调整进风量的鼓风机采用ac s600系列变频器加以控制，获得快速的动态响应以及平稳的控制特性，以使风-煤比的调整更趋于精确
(2) 炉膛压力调节如图4所示。

图4 炉膛压力调节方框图

由于炉膛负压的变化反映比较灵敏，可作为一个单独的回路进行调节，引风量随着鼓风量的变化作相应的调整，使炉膛负压始终保持在一定压力上，维持整个燃烧系统的稳定性。
引风机同样采用abbacs600变频器与鼓风机变频相匹配以达到对炉膛负压的快速调整。
(3) 定压调节
补水泵和循环水泵控制是保证正常、稳定供热的重要环节，补水泵和循环水泵控制均采用定值调节。根据定压点的压力，通过采用abb公司acs400变频器调节补水泵转速，及时补充水量，防止系统缺水，保证系统安全运行。通过采用abb公司acs600变频器对循环水泵进行调节，保持系统供回水压力稳定，同时由于变频器本身具有软启、软停的功能特性，因此也避免了“水锤”对管网及设备产生的冲击，为系统正常供热提供保障。

4 系统配置
l 操作员站
操作员站的硬件由工业控制计算机构成，其配置为pⅲ733cpu、128m内存、15g硬盘、19″彩色显示器、工程师键盘(标准键盘)等。
操作员站的监控软件采用美国interlution公司的fix软件包。
l 打印机
采用日本epson公司的lq1600kⅲ打印机。
l 锅炉现场控制站及公用控制站
采用美国霍尼威尔公司生产的umc-800。该产品具有较高的可靠性和较好的性能价格比。
l 水流量检测仪表
采用日本富士公司生产的超声波流量计。该产品技术较先进，使用、维护较为方便。
l 压力检测仪表
差压变送器及压力变送器均选用技术先进，性能优良的abb公司的产品。
l 变频器
均采用abb公司的传动产品。其中用于引风机、鼓风机以及循环泵的变频器全部为acs600系列产品。
具体配置为:
20t:引风机acs601-0070-3 3台
鼓风机acs601-0060-3 3台
40t:引风机acs607-0200-3 2台
鼓风机acs601-0070-3 2台
80t:引风机acs607-0400-3 2台
鼓风机acs607-0140-3 2台
循环泵:acs607-0320-3 1台
补水泵:acs401-0009-3 2台
锅炉房控制系统主要功能包括:锅炉出水温度控制、锅炉燃烧控制、炉膛压力控制等和锅炉房公用部分的自动控制，各种热工参数、电气参数、管理参数的采集和监视等。其中:变频器是实现以上各部功能的最主要的执行设备，因此它的运行好坏直接影响到整个系统是否能够正常运行。

5 abb变频器的性能描述
(1) 灵活的控制连接
变频器作为系统中主要的执行设备，其控制连接必须具有良好的开放性。acs600本身具有多种内置的标准控制连接，即abb变频器特有的应用宏可供不同的应用选择。在锅炉控制系统中，最常用的是"手动/自动"应用宏。它可以通过1个外部开关量很容易实现本地控制与远程控制的切换(如图5的控制连接)。三路模拟输入可以方便的接收来自控制站的给定信号以及现场的反馈信号，二路模拟输出可最大限度地为现场控制站提供有效的动态运行参数值，三路继电输出可为控制系统提供灵活的继电回路方案。

图5 acs600系列变频器标准接线图

(2) 高起动转矩
一般情况下，风机类负载具有典型的大起动惯量、高起动转矩的特点，而acs600的直接转矩控制特性有效地解决了大起动转矩的问题(最大起动转矩为电机额定转矩的200％)，使得起动过程即快又平稳，根本看不到以往v/f控制方式的变频器在底速起动时的脉动现象。
(3) 完全合格的emc设计
由于此锅炉房的规模较大，集中使用变频器的总容量也相对很大，因此对变频设备所产生的干扰以及其抗干扰能力的问题就显得比较突出。而在第二类用电环境下应用abb变频器可以很好的解决上述担心的问题。acs600变频器含有内置的交流进线电抗器，可以对网侧产生的谐波成分有效的加以抑制，同时acs600内部特有的光纤信号连接的方式以及壳体上的特殊的屏蔽涂层又可很好的解决抗干扰问题。从应用至今的实际效果来看，现场的其它控制设备(包括计算机、智能仪表等)并未因变频器的运行而受到干扰。
(4) 充分提高变频器及电动机的使用效率
对大部分风机类负载，其实际的负载往往比较轻，而传统的变频器在调速的全过程中是要保持磁通量近似恒定的，显然，在负荷比较低的时候变频器和电机的效率会很低。acs600变频器对这类负载设有一个非常有用的功能，即磁通优化功能。在优化模式下，电机磁通被自动地适应于负载以提高效率同时降低电机的噪音。在现场利用一台380kw的引风机对此功能进行验证发现，此功能可以使变频器和电动机的平均效率撮高近8%，这在大容量的风机负载中，其效果是相当可观的。

6 结束语

近些年，我公司在集中热行业上推广应用变频技术,供热锅炉所涉及的单台容量从4mw以下一直到56mw应用abb变频器达400多台，总容量将近10000kw，取得了可观的经济效益和社会效益，总结了大量的实践经验，控制方案也已经形成标准系列方式，目前我公司的wjp1系列变频控制柜以及dcs控制系统已广泛应用于供热行业中。

参考文献
[1] abb公司acs600变频器使用手册。

作者简介
刘 镇 男 高级工程师 现任天津万得福变频技术公司总经理，主要从事变频调速供热工程项目的推广应用。