【文章內容簡介】 行的時刻稱之為靜態(tài)過程。在動念和靜態(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水和泄壓的壓力值范圍是不同的，根據(jù)實際工程的要求，靜態(tài)過程的值比動態(tài)過程的值要稍高。 動態(tài)過程中，由于管道泄露等情況造成一些損失，導致管道壓力降低，當回水壓力動態(tài)低于補水泵啟動給定值的時候，啟動補水泵，為系統(tǒng)補水；隨著補水泵的補水，管道內壓力逐漸升高，當管道內壓力升達到動態(tài)補水泵停止給定值時，停止補水泵。靜態(tài)過程和動態(tài)過程的控制原理是相同的，只是補水泵啟動給定值和補水泵停止給定值不同。而在動態(tài)過程中，由于加熱產生的熱膨脹作用，使管道內壓力逐漸升高，當管道 壓力達到母管壓力上限時，即開啟安全閥，進行泄壓。 根據(jù)實際工程項目要求，為了避免邏輯混亂，靜態(tài)補水泵啟動給定值要高于動態(tài)補水泵停止給定值。在整個控制系統(tǒng)中，需要控制的設備主要是變頻控制補水泵和燃煤鍋爐，所以在本章以后幾節(jié)將著重介紹交流電機的變頻調速系統(tǒng)以及燃煤鍋爐的控制。 交流電機的變頻調速系統(tǒng)介紹 傳統(tǒng)的給水調節(jié)系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)都是采用定速泵和風機，以改變調節(jié)閥門開度來改變給水流量和風量。這種調節(jié)方式的缺點是給水泵消耗功率大，調節(jié)閥門承受的壓力大，容易造成調節(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節(jié)，變頻調整是一種高效的交流調整方法，它利用變頻器實現(xiàn)了異步電動機的無級變速，鍋爐控制采用變頻調整是節(jié)能的有效途徑．鍋爐的應用面很廣，應用量也很大。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力設備。鍋爐風機一般按滿足鍋爐最大負荷設計選型，而正常工作卻在額定負荷的 70％左右，因此，風機驅動電機的裕量較大，節(jié)電潛力很大。鍋爐風機的風量調節(jié)常用風門控制，即增加鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 8 管路阻力，而驅動電機全速運轉，其效率低、能耗大，大量電能被白白浪費掉，采用變頻調整調節(jié)風量， 不需要風門，管路阻力減少，系統(tǒng)所需風量減少，電機轉速可以降低，由于電機的軸功率與轉速的立方成正比，因此耗電量大幅度下降，節(jié)能效果是十分顯著的。 變頻器驅動的特點 隨著大功率晶體管電子技術的迅速發(fā)展、大規(guī)模集成電路和微機技術的突飛猛進，交流電動機變頻調速技術已同趨完善。變頻器用交流異步電動機調速，其性能比任何一種交流調速更佳，而且結構簡單，因而成為電動機調速的最新潮流。變頻器技術是 fj綜合性的技術，它建立在控制技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術的基礎上。它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利 用變頻器對交流電動機進行調速控制，有許多優(yōu)點，如節(jié)電、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調速控制、可以實現(xiàn)大范圍內的高效連續(xù)調速控制、實現(xiàn)速度的精確控制。容易實現(xiàn)電動機的 J下反轉切換，可以進行高額度的起停運轉，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅動。電機在帶動較大負載在啟動時，會有較大的沖擊電流，采用變頻器時，可以實現(xiàn)軟啟動，減小沖擊電流，解決大負載的啟動問題。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。完善的保護功能：變頻器保護功功能強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別 (如電網(wǎng)瞬時電壓 降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等 1，并立即封鎖輸出電壓．這種“自我保護”的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。 變頻調速的基本原理 當在一臺三相異步電動機的定子繞組上加上三相交流電壓時，該電壓將產生一個旋轉磁場，其速度由定子電壓的頻率所決定。當磁場旋轉時，位于該磁場中的轉子繞組將切割磁力線，并在轉子繞組中產生相應鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 9 的感應電動勢和感應電流，而此感應電流又將受到旋轉磁場的作用而產生電磁力，即轉矩，使轉子跟隨旋轉磁場旋轉．當將三相異步電動機繞組的任意兩相進行交換時，所產生 的旋轉磁場的方向將發(fā)生改變。因此，電動機的轉向也將發(fā)生改變。異步電動機定子磁場的轉速被稱為異步電動機的同步轉速，其同步轉速由電動機的磁極個數(shù)和電源頻率所決定 N1=60f／ P (2． 1) 其中， N1為同步轉速值， f為電源頻率值， P為磁極對數(shù)。異步電動機的轉速總是小于其同步轉速，異步電機的實際轉速可由下式給出 N=N1(1— 5)=60f(1s)／ p (2． 2) 其中， N為電動機實際轉速， S為異步電動機的轉差率。 由式 (2． 2)可知，改變參數(shù) f、 S中的任意一個就可以改變電動機的轉速，即對異步電動機進行調速控制。因此，可以通過改變該電源的頻率來實現(xiàn)對異步電動機的調速控制。從某種意義上說，變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。在電動機調速時，一個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，沒有充分利用電機的磁芯，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應的補償合適，保持中 f m不變是很容易做到的 ，在交流異步電機種，磁通是定子和轉子合成產生的。 三相異步電機定子每相電動勢的有效值是： Eg=4． 44f1N1KN1∮ m (2． 3) 其中， Eg為氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值，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)的研究與設計 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。 變頻器基本結構 1．變頻器的主電路 (1)．電力電子開關器件：電力半導體器件已經(jīng)歷了以晶閘 管為代表的分立器件，以可關斷晶閘管 (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)等三個發(fā)展時期。從晶閘管靠換相電流過零關斷的半控器件發(fā)展到 PID，PIC通過門極或柵極控制脈沖可實現(xiàn)器件導通與關斷的全控器件。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通與關斷的轉換速度，從而使器件 的工作頻率不斷提高。在器件結構上，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、檢測電路等組合在一起的復雜模塊。 (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。它主要作用是對工頻的外部電源進行整流，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整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質量較高的直流電源。 (3)．逆變電路：逆變電路是變頻器主 要的部分之一。它是利用六個半導體開關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．由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載，無論電動機處于電動還是發(fā)電制動狀態(tài)，變頻器功率因素總不會為 l，因此，在直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換，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換鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 11 為頻率和電壓都任意可調的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來對異步電動機的調速控制。 2．變頻器 的控制電路 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個部分，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δ孀兤鏖_關控制，對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能。 隨著電力半導體器件和微型計算機控制技術的迅速發(fā)展，促進了電力變頻技術新的突破性發(fā)展， 70 年代后期發(fā)展起來的脈沖調控技術成了現(xiàn)在常用的變頻器功率開關器件的控制策略。 PWM 控制利用了采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖家在局有關性環(huán)節(jié)上時， 其效果基本相同。根據(jù)這個原理，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，燃煤鍋爐和燃氣鍋爐。所有這些鍋爐，雖然燃料及其供給方式不同，但其結構大同小異，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽處理系統(tǒng)是基本相同的。本項目的研究以燃煤鍋爐為對象。 該系統(tǒng)所用的鍋爐是以煤為燃料，兩臺 20T/H的熱水爐，一臺 10T/H的熱水爐和一臺 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，它由以下幾個部分構成： 1．汽包：由上下鍋筒和沸水管組成。水在管內受管外煙氣加熱，因而在管簇內發(fā)生自然循環(huán)流動，并逐漸汽化，產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備，下鍋筒做為連接沸水管之用，同時儲存水和水垢。 2．爐膛：是使燃料充分燃燒并放出熱能的設備。煤由煤斗落在轉動鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 12 的鏈條爐蓖上，進入爐內燃燒。燃燒所需要的空氣由爐排下面的風箱送入，燃盡的殘渣被爐蓖帶到除灰口，落入灰斗中。得到加熱的高溫煙氣依次經(jīng)過各個受熱面，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入汽包的冷水，一般省煤器由蛇形管組成。 4．空氣預熱器：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。熱空氣可以強化爐內燃燒過程，提高鍋爐燃燒的經(jīng)濟性，提高鍋爐熱效率。 5．引風設備：包括引風機、煙囪、煙道幾部分，將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出，保持爐膛的負壓燃燒正常。 6．鼓風設備：由鼓風送風機、風道、風箱組成，供應燃料燃燒所需要的空氣。 7．給水設備：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阻力和 鍋爐的壓力，把水送入汽包中。 8．水處理設備：用來清除水中雜質和降低給水硬度，防止鍋爐受熱面上結水垢或腐蝕鍋爐，從而提高鍋爐的經(jīng)濟性和安全性。 9．燃料供給設備：由運煤設備、原煤倉和儲煤斗等設備組成，保證鍋爐所需燃料的供應。 10．除灰除塵設備：分別為收集鍋爐灰渣并運往存灰場地及除去煙氣中灰粒的設備，以減少對周圍環(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。燃料在爐子罩進行燃燒，將其化學能轉化為熱能，高溫的燃燒產物 煙氣通過汽鍋受熱面將熱能傳遞給汽鍋內溫度較低的水， 水被加熱進而沸騰汽化，生成蒸汽。以某高校鍋爐房的鍋爐為例，其工作概括起來應包括三個同時進行的過程： 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，爐排靠電動機通過變速齒輪減速后由鏈條來帶動，將燃料煤帶入爐鍋爐出水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 13 內。新煤入爐，經(jīng)預熱階段后開始著火，揮發(fā)物燃燒，同時焦炭也逐漸燃燒。燃料一面燃燒，一面向后移動。燃燒所需要的空氣是由送風機送入爐體的風倉，向上通過爐排到達燃燒燃料層。風量和燃料量要成比例，進行充分燃燒，形成高溫煙氣。燃料燃燒剩下的灰渣，在爐排末端翻過除渣板后排入灰斗。燃燒過程進行得完善與否 ，是鍋爐正常工作的根本條件。要使燃料量、空氣量和負荷蒸汽量有一一對應的關系，這就是根據(jù)所需要的負荷蒸汽量來控制燃料量和送風量，同時還要通過引風設備控制爐膛負壓。該過程的特點是時間常數(shù)和滯后時問都比較大，而且隨著媒質、煤種及風量的改變，這兩個參數(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溫度很高，高溫煙氣與布置在爐膛四周墻面上的水管進行強烈的輻射傳熱。煙氣將熱量傳遞給管內的水后，由于引風機和煙囪的引力作用而向爐膛上方流動。沿途降低溫度的煙氣最后進入尾部煙道，經(jīng)省煤器和空氣預熱器進行熱交換，以較低的溫度排出鍋爐。 3．水的汽化過程：對于蒸汽爐來說，經(jīng)過處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預熱，然后進入汽鍋。鍋爐工作時，汽鍋中的工作介質是處于飽和狀態(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)的水冷壁和對流管束受熱多，其相應工質的容重?。哼@樣，容重大的工質向下流入下鍋筒，而容重較小的工質則向上流入上鍋筒，形成水的自然循環(huán)。由于上鍋筒內的汽水分離設備和鍋筒本身空間內的重力分離作用，使汽水混合物得以分離。 燃煤鍋 爐的自動調節(jié)任務 燃煤鍋爐的任務是根據(jù)負荷要求，生產具有一定參數(shù) (壓力和溫度 )的蒸汽和熱水。為了滿足負荷設備的要求，保由 E鍋爐本身運行的安全性和經(jīng)濟性，它主要實現(xiàn)下列自動調節(jié)任務： 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)的研究與設計 14 過調節(jié)排轉速即調節(jié)給煤量的多少來調節(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)，采用微機控制可有效克服人工控制的缺