【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 行的時(shí)刻稱之為靜態(tài)過程。在動(dòng)念和靜態(tài) 兩種情況下管網(wǎng)壓力的給定值是不同的，所以在兩種情況下補(bǔ)水和泄壓的壓力值范圍是不同的，根據(jù)實(shí)際工程的要求，靜態(tài)過程的值比動(dòng)態(tài)過程的值要稍高。 動(dòng)態(tài)過程中，由于管道泄露等情況造成一些損失，導(dǎo)致管道壓力降低，當(dāng)回水壓力動(dòng)態(tài)低于補(bǔ)水泵啟動(dòng)給定值的時(shí)候，啟動(dòng)補(bǔ)水泵，為系統(tǒng)補(bǔ)水；隨著補(bǔ)水泵的補(bǔ)水，管道內(nèi)壓力逐漸升高，當(dāng)管道內(nèi)壓力升達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)水泵停止給定值時(shí)，停止補(bǔ)水泵。靜態(tài)過程和動(dòng)態(tài)過程的控制原理是相同的，只是補(bǔ)水泵啟動(dòng)給定值和補(bǔ)水泵停止給定值不同。而在動(dòng)態(tài)過程中，由于加熱產(chǎn)生的熱膨脹作用，使管道內(nèi)壓力逐漸升高，當(dāng)管道 壓力達(dá)到母管壓力上限時(shí)，即開啟安全閥，進(jìn)行泄壓。 根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目要求，為了避免邏輯混亂，靜態(tài)補(bǔ)水泵啟動(dòng)給定值要高于動(dòng)態(tài)補(bǔ)水泵停止給定值。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，需要控制的設(shè)備主要是變頻控制補(bǔ)水泵和燃煤鍋爐，所以在本章以后幾節(jié)將著重介紹交流電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)以及燃煤鍋爐的控制。 交流電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹 傳統(tǒng)的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)都是采用定速泵和風(fēng)機(jī)，以改變調(diào)節(jié)閥門開度來改變給水流量和風(fēng)量。這種調(diào)節(jié)方式的缺點(diǎn)是給水泵消耗功率大，調(diào)節(jié)閥門承受的壓力大，容易造成調(diào)節(jié)閥門的迅速磨損。為了節(jié)約能源，目前在大 型鍋爐中廣泛采用變頻調(diào)節(jié)，變頻調(diào)整是一種高效的交流調(diào)整方法，它利用變頻器實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)變速，鍋爐控制采用變頻調(diào)整是節(jié)能的有效途徑．鍋爐的應(yīng)用面很廣，應(yīng)用量也很大。在化工、煉油、發(fā)電、造紙、制糖、化纖、紡織、印染等工業(yè)部門，鍋爐是必不可少的重要的動(dòng)力設(shè)備。鍋爐風(fēng)機(jī)一般按滿足鍋爐最大負(fù)荷設(shè)計(jì)選型，而正常工作卻在額定負(fù)荷的 70％左右，因此，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的裕量較大，節(jié)電潛力很大。鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)常用風(fēng)門控制，即增加鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 8 管路阻力，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，其效率低、能耗大，大量電能被白白浪費(fèi)掉，采用變頻調(diào)整調(diào)節(jié)風(fēng)量， 不需要風(fēng)門，管路阻力減少，系統(tǒng)所需風(fēng)量減少，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以降低，由于電機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此耗電量大幅度下降，節(jié)能效果是十分顯著的。 變頻器驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn) 隨著大功率晶體管電子技術(shù)的迅速發(fā)展、大規(guī)模集成電路和微機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)已同趨完善。變頻器用交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，其性能比任何一種交流調(diào)速更佳，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的最新潮流。變頻器技術(shù)是 fj綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利 用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)電、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制、可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的 J下反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高額度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動(dòng)，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)。電機(jī)在帶動(dòng)較大負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)，會(huì)有較大的沖擊電流，采用變頻器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，減小沖擊電流，解決大負(fù)載的啟動(dòng)問題。電源功率因數(shù)大，所需容量小，可以組成離性能的控制系統(tǒng)等。完善的保護(hù)功能：變頻器保護(hù)功功能強(qiáng)，在運(yùn)行過程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類別 (如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓 降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機(jī)短路等 1，并立即封鎖輸出電壓．這種“自我保護(hù)”的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。 變頻調(diào)速的基本原理 當(dāng)在一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組上加上三相交流電壓時(shí)，該電壓將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其速度由定子電壓的頻率所決定。當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于該磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)子繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 9 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)．當(dāng)將三相異步電動(dòng)機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時(shí)，所產(chǎn)生 的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)的磁極個(gè)數(shù)和電源頻率所決定 N1=60f／ P (2． 1) 其中， N1為同步轉(zhuǎn)速值， f為電源頻率值， P為磁極對(duì)數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可由下式給出 N=N1(1— 5)=60f(1s)／ p (2． 2) 其中， N為電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速， S為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。 由式 (2． 2)可知，改變參數(shù) f、 S中的任意一個(gè)就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。因此，可以通過改變?cè)撾娫吹念l率來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。從某種意義上說，變頻器就是一個(gè)可以任意改變頻率的交流電源。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通量 fm為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的磁芯，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)來說，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持中 f m不變是很容易做到的 ，在交流異步電機(jī)種，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。 三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是： Eg=4． 44f1N1KN1∮ m (2． 3) 其中， Eg為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，單位為 V， fl為定子頻率，單位為 HZ， N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)， KN1為基波繞組系鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 10 數(shù)，∮ m為每極氣隙磁通 t，單位為 wb。 由公式可知，只要控制好 Eg和 f，便可以控制磁通∮ m不變。 變頻器基本結(jié)構(gòu) 1．變頻器的主電路 (1)．電力電子開關(guān)器件：電力半導(dǎo)體器件已經(jīng)歷了以晶閘 管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管 (GTO)，巨型晶體管 (GTR)，功率 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)為代表的功率集成器件 (PDI)，以智能化功率集成電路 (SPIC)，高壓功率集成電路 H(VlC)為代表的功率集成電路 (PIC)等三個(gè)發(fā)展時(shí)期。從晶閘管靠換相電流過零關(guān)斷的半控器件發(fā)展到 PID，PIC通過門極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件。在器件的控制模式上，從電流型控制模式及發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門極 (柵極 )的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件 的工作頻率不斷提高。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。 (2)．整流電路：一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它主要作用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。直流中問電路的作用是對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。 (3)．逆變電路：逆變電路是變頻器主 要的部分之一。它是利用六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出．由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載，無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)還是發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，變頻器功率因素總不會(huì)為 l，因此，在直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換，這種無功能量就靠之間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來緩沖。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 11 為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。 2．變頻器 的控制電路 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪?duì)逆變器開關(guān)控制，對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能。 隨著電力半導(dǎo)體器件和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電力變頻技術(shù)新的突破性發(fā)展， 70 年代后期發(fā)展起來的脈沖調(diào)控技術(shù)成了現(xiàn)在常用的變頻器功率開關(guān)器件的控制策略。 PWM 控制利用了采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖家在局有關(guān)性環(huán)節(jié)上時(shí)， 其效果基本相同。根據(jù)這個(gè)原理，可以用一系列等幅而不等寬的脈沖來近似正弦波。切脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，這種方法稱為 SPWM。 燃煤鍋爐的工作過程 燃煤鍋爐的組成 鍋爐按燃料種類分，大致有燃油鍋爐，燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t。所有這些鍋爐，雖然燃料及其供給方式不同，但其結(jié)構(gòu)大同小異，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽處理系統(tǒng)是基本相同的。本項(xiàng)目的研究以燃煤鍋爐為對(duì)象。 該系統(tǒng)所用的鍋爐是以煤為燃料，兩臺(tái) 20T/H的熱水爐，一臺(tái) 10T/H的熱水爐和一臺(tái) 6T／ H蒸汽量的水管鍋爐，屬中小型鍋爐。以 6T／ H的蒸汽鍋爐為例，它由以下幾個(gè)部分構(gòu)成： 1．汽包：由上下鍋筒和沸水管組成。水在管內(nèi)受管外煙氣加熱，因而在管簇內(nèi)發(fā)生自然循環(huán)流動(dòng)，并逐漸汽化，產(chǎn)生的飽和蒸汽聚集在鍋筒罩面。為了得到干度比較大的飽和蒸汽，在上鍋筒中還裝有汽水分離設(shè)備，下鍋筒做為連接沸水管之用，同時(shí)儲(chǔ)存水和水垢。 2．爐膛：是使燃料充分燃燒并放出熱能的設(shè)備。煤由煤斗落在轉(zhuǎn)動(dòng)鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 12 的鏈條爐蓖上，進(jìn)入爐內(nèi)燃燒。燃燒所需要的空氣由爐排下面的風(fēng)箱送入，燃盡的殘?jiān)粻t蓖帶到除灰口，落入灰斗中。得到加熱的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過各個(gè)受熱面，將熱量傳遞給水后，經(jīng)由煙囪排至 大氣。 3．省煤器：燃煤鍋爐爐膛排除的煙氣具有較高的溫度，利用其熱量可以加熱進(jìn)入汽包的冷水，一般省煤器由蛇形管組成。 4．空氣預(yù)熱器：繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空氣的換熱器。熱空氣可以強(qiáng)化爐內(nèi)燃燒過程，提高鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，提高鍋爐熱效率。 5．引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)、煙囪、煙道幾部分，將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出，保持爐膛的負(fù)壓燃燒正常。 6．鼓風(fēng)設(shè)備：由鼓風(fēng)送風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、風(fēng)箱組成，供應(yīng)燃料燃燒所需要的空氣。 7．給水設(shè)備：由給水泵和給水管組成。給水泵用來克服給水管路和省煤器的流動(dòng)阻力和 鍋爐的壓力，把水送入汽包中。 8．水處理設(shè)備：用來清除水中雜質(zhì)和降低給水硬度，防止鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕鍋爐，從而提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。 9．燃料供給設(shè)備：由運(yùn)煤設(shè)備、原煤倉(cāng)和儲(chǔ)煤斗等設(shè)備組成，保證鍋爐所需燃料的供應(yīng)。 10．除灰除塵設(shè)備：分別為收集鍋爐灰渣并運(yùn)往存灰場(chǎng)地及除去煙氣中灰粒的設(shè)備，以減少對(duì)周圍環(huán)境的污染。 燃煤鍋爐的工作過程 鍋爐最基本的組成是汽鍋和爐子兩大部分。燃料在爐子罩進(jìn)行燃燒，將其化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，高溫的燃燒產(chǎn)物 煙氣通過汽鍋受熱面將熱能傳遞給汽鍋內(nèi)溫度較低的水， 水被加熱進(jìn)而沸騰汽化，生成蒸汽。以某高校鍋爐房的鍋爐為例，其工作概括起來應(yīng)包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程： 1．燃料的燃燒過程：燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在爐排面上，爐排靠電動(dòng)機(jī)通過變速齒輪減速后由鏈條來帶動(dòng)，將燃料煤帶入爐鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 13 內(nèi)。新煤入爐，經(jīng)預(yù)熱階段后開始著火，揮發(fā)物燃燒，同時(shí)焦炭也逐漸燃燒。燃料一面燃燒，一面向后移動(dòng)。燃燒所需要的空氣是由送風(fēng)機(jī)送入爐體的風(fēng)倉(cāng)，向上通過爐排到達(dá)燃燒燃料層。風(fēng)量和燃料量要成比例，進(jìn)行充分燃燒，形成高溫?zé)煔狻Ｈ剂先紵Ｏ碌幕以?，在爐排末端翻過除渣板后排入灰斗。燃燒過程進(jìn)行得完善與否 ，是鍋爐正常工作的根本條件。要使燃料量、空氣量和負(fù)荷蒸汽量有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這就是根據(jù)所需要的負(fù)荷蒸汽量來控制燃料量和送風(fēng)量，同時(shí)還要通過引風(fēng)設(shè)備控制爐膛負(fù)壓。該過程的特點(diǎn)是時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)問都比較大，而且隨著媒質(zhì)、煤種及風(fēng)量的改變，這兩個(gè)參數(shù)將有很大的變化。 2．煙氣向水 (汽 )等的傳熱過程：燃料燃燒所放出的熱量使得爐內(nèi)溫度很高，高溫?zé)煔馀c布置在爐膛四周墻面上的水管進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射傳熱。煙氣將熱量傳遞給管內(nèi)的水后，由于引風(fēng)機(jī)和煙囪的引力作用而向爐膛上方流動(dòng)。沿途降低溫度的煙氣最后進(jìn)入尾部煙道，經(jīng)省煤器和空氣預(yù)熱器進(jìn)行熱交換，以較低的溫度排出鍋爐。 3．水的汽化過程：對(duì)于蒸汽爐來說，經(jīng)過處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入汽鍋。鍋爐工作時(shí)，汽鍋中的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)下的汽水混合物，它們位于煙氣溫度較低的對(duì)流管束中。由于受熱較少，汽水混合物的容重較大；而處于煙氣溫度較高區(qū)的水冷壁和對(duì)流管束受熱多，其相應(yīng)工質(zhì)的容重?。哼@樣，容重大的工質(zhì)向下流入下鍋筒，而容重較小的工質(zhì)則向上流入上鍋筒，形成水的自然循環(huán)。由于上鍋筒內(nèi)的汽水分離設(shè)備和鍋筒本身空間內(nèi)的重力分離作用，使汽水混合物得以分離。 燃煤鍋 爐的自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù) 燃煤鍋爐的任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷要求，生產(chǎn)具有一定參數(shù) (壓力和溫度 )的蒸汽和熱水。為了滿足負(fù)荷設(shè)備的要求，保由 E鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，它主要實(shí)現(xiàn)下列自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)： 1．出水溫度控制：出水溫度控制同路即鍋爐的爐排控制回路，它通鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 14 過調(diào)節(jié)排轉(zhuǎn)速即調(diào)節(jié)給煤量的多少來調(diào)節(jié)鍋爐的出水溫度。鍋爐出水溫度是熱水鍋爐的最重要的參數(shù)，采用微機(jī)控制可有效克服人工控制的缺