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电锅炉负荷波动分析与稳定控制
2018-06-11
为了解决电锅炉负荷波动大且波动频繁的问题,对影响电锅炉负荷波动的各个因素 进行了深入的分析和研究,最终确定电锅炉负荷波动与电锅炉的运行控制方式密切相关。由于电 锅炉采用加热率控制方式,导致电锅炉负荷波动受电网电压和接触器故障两个因数影响;电网电压 波动是引起电锅炉负荷波动的主要原因;当加热管发生短路时,容易使接触器烧死,使加热率与实 际运行的加热管数量不一致。为消除这两个因素对电锅炉负荷波动的影响,提出了电锅炉恒功率 控制运行方式,通过恒功率控制技术改造后,电锅炉负荷波动范围由±1. 5 MW 降至±0. 3 MW。改 造结果表明:电锅炉采用恒功率控制方式,不仅实现了控制负荷稳定的目的,而且能...
Serial No. 589 May. 2018 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 589期 2018 年 5 月第 5 期 电锅炉负荷波动分析与稳定控制 1 唐新安 ꢀ 康承希 2 ( 1. 赞比亚中色卢安夏矿业有限公司;2. 南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 为了解决电锅炉负荷波动大且波动频繁的问题,对影响电锅炉负荷波动的各个因素 进行了深入的分析和研究,最终确定电锅炉负荷波动与电锅炉的运行控制方式密切相关。 由于电 锅炉采用加热率控制方式,导致电锅炉负荷波动受电网电压和接触器故障两个因数影响;电网电压 波动是引起电锅炉负荷波动的主要原因;当加热管发生短路时,容易使接触器烧死,使加热率与实 际运行的加热管数量不一致。 为消除这两个因素对电锅炉负荷波动的影响,提出了电锅炉恒功率 控制运行方式,通过恒功率控制技术改造后,电锅炉负荷波动范围由±1. 5 MW 降至±0. 3 MW。 改 造结果表明:电锅炉采用恒功率控制方式,不仅实现了控制负荷稳定的目的,而且能准确掌控电锅 炉的实际负荷。 关键词ꢀ 电压波动ꢀ 负荷波动ꢀ 自动比例控制ꢀ 加热率ꢀ 恒功率 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 05. 048 ꢀ ꢀ 随着赞比亚电力供应日趋紧张,电网公司开始 根据生产工艺参数的变化,随时掌控电锅炉的实际 功率,使生产工艺运行处于最佳状态。 严格限制各企业用电负荷,并削减了所有企业的部 分用电负荷,企业为此纷纷减产,甚至关停部分设 备。 赞比亚中色卢安夏矿业有限公司被迫关停了 BALUBA 井下矿和与其配套的选矿厂,仅留下湿法 厂继续生产,而且被要求严格控制负荷,不得超过规 定负荷配额。 为此,湿法厂严格控制用电负荷模式。 在实施负荷控制过程中,除了停用部分非必要 负载外,发现全厂用电负荷波动非常大,总负荷波动 达 2 MW 左右,给控制负荷稳定带来一定的困难。 同时,因为负荷波动太大,不利于生产的有序运行, 给准确申报用电负荷带来困难;同时由于用电负荷 波动太大,导致用电需量增加、电价提高,影响企业 的经济效益。 因此,控制并稳定用电负荷意义重大。 目前,根据实现目的不同,国内有多种电锅炉自 动控制方式,如利用温度或压力参数采用 PID 控制 1 ꢀ 电锅炉负荷波动原因分析 在实施负荷控制过程中,通过查找发现,全厂用 电负荷波动大,主要是由电锅炉负荷波动造成,仅电 锅炉负荷波动就达到了 1. 5 MW 左右。 因此,解决 电锅炉负荷波动问题是解决全厂用电负荷波动大的 关键。 经过详细分析发现,电锅炉负荷波动大,与电 锅炉采用的加热率控制方式有关。 因电锅炉采用加 热率控制方式,使得电锅炉负荷受两个因数影响而 不稳定。 其中电锅炉负荷波动大的主要原因是电网 电压波动大且波动频繁;其次,电锅炉采用加热率控 制方式,不能保证电锅炉负荷的恒定。 虽然电锅炉 的加热率不变,但电锅炉的实际负荷却有可能发生 变化,电锅炉加热率不能反映电锅炉实际投入的加 热管数量,即实际加热功率。 [ 1] 方式、采用模糊控制技术、简单的加热率控制等 , 1 . 1ꢀ 电网电压波动对电锅炉负荷的影响 这些电锅炉控制方式虽然能实现一些运行参数的稳 定,但并不能达到控制并稳定电锅炉负荷的目的。 为此,本文采用了简单实用的电锅炉恒功率控制方 式,不仅达到了减小电锅炉负荷波动的目的,而且可 通过此次实施的负荷控制工作,发现赞比亚由 于电力技术落后,其电网电压不稳定,不仅波动大且 上下波动范围可达 10% (低压 380 V 电网),而且波 动十分频繁。 此外,其电网频率也波动严重,每年高 压继电保护装置都会发生几次低周跳闸。 ꢀ ꢀ 唐新安 (1978—),男,工程师,210041 江苏省南京市雨花台区 由于电锅炉采用的是加热率控制方式,设定好 加热率后,投入的加热管数量一定,即电阻 R 一定。 西善桥。 2 25 总第 589 期 现代矿业 2018 年 5 月第 5 期 2 电锅炉是纯电阻性负载,根据功率计算公式 P = U / R,对于纯电阻负载,其功率与电压的平方成正比。 因此,电压波动必然造成电锅炉实际功率的波动,即 负荷波动。 电锅炉总负荷波动达 1. 5 MW 左右,除 了因为电网电压波动大外,还与电锅炉的负载基数 比较大有关。 湿法厂有 5 台电锅炉,每台电锅炉额 定功率为 6 MW,总计 30 MW,所以电锅炉总负荷受 电压波动的影响也就变得颇为明显。 一是增加功率变送器;二是利用进线柜已有的智能 配电综合 监 控 单 元 PDM-810PLV-DP, 由 于 PDM- 810PLV-DP 支持 Profibus 通讯,可采用通讯方式采 集电锅炉的实际功率。 不论哪种方式,均需增加硬 件设备,并对 PLC 程序控制逻辑进行重新设计,编 写控制程序。 前期,首先利用了功率变送器来采集 实时功率。 后期,为了采集电锅炉进线柜各相电压 和电流,又实施了 Profibus DP 通讯改造,通过通讯 采集各相电压、电流和实时功率等运行数据。 1 . 2ꢀ 加热率控制方式对电锅炉负荷的影响 加热率控制方式存在实际加热率不能反映电锅 2. 1. 1ꢀ 采用功率变送器采集电锅炉实时功率 在电锅炉配电室进线开关柜内增加功率变送 器,用于测量电锅炉的实时功率。 电锅炉房进线开 关柜电流互感器为 5000 / 5A,选用功率变送器型号 为 PA-26-4-A2-V2-O3-P3-C4。 三相四线制,输入相 电压测量范围 0 ~ 250 V,输入相电流测量范围 0 ~ 5 A,输出信号 4 ~ 20 mA。 该功率变送器满量程输出 功率为 3 300 kW,即功率变送器输出 4 ~ 20 mA 信 号,对应实际功率为 0 ~ 3 300 kW。 炉实际负荷的问题,即加热率并未真实反映出实际 [ 2] 投入的加热管数量 。 电锅炉采用加热率控制,即 设定好加热率后,投入运行的加热管数量一定。 每 两根加热管为一组,两个加热管的接触器辅助触点 串联作为运行反馈信号,用于统计实际加热率。 加 热率之所以不能反映出实际投入的加热管数量,主 要存在两种情况:①两个加热管均发生短路,导致一 组(两个)接触器主触头都烧死故障,此时空开已经 跳闸,加热管没有工作,但由于接触器辅助触点因主 触头烧死而仍然闭合,导致多统计了 2% 的加热率; 根据功率变送器外部端子图完成进线柜内电气 线路接线,并将 4 ~ 20 mA 信号接至 PLC,功率变送 器外部端 子 图 见 图 1。 PLC 模 拟 量 模 块 为 6ES7 331-7KF02-0AB0,由于有空余通道,仍采用原来的 模块,并将最后两个通道 PIW268 和 PIW270 分别作 为 I 段进线柜和 II 段进线柜功率测量通道,需在硬 件设置处将最后两个通道改为四线制模式。 ② 一个加热管短路,此时空开和接触器均分闸,而另 一根加热管仍在运行,虽然仍有一根加热管参与了 加热,但加热率仍然减二,少统计了 2% 的加热率。 综合上述分析可知,电锅炉加热率控制方式不 能实现控制电锅炉负荷稳定的目的。 要想减小电锅 炉的负荷波动幅度,使电锅炉负荷相对稳定,必须改 变电锅炉的控制方式,以降低电锅炉负荷受电网电 压波动的影响。 同时,也可解决因接触器故障导致 加热率不能正确反映电锅炉实际投入的加热管数量 的问题。 2 ꢀ 电锅炉恒功率控制设计改造 为降低电锅炉负荷受电网电压的影响,使电锅 图 1ꢀ 功率变送器外部端子图 炉负荷在一个较小的范围内波动,提出了电锅炉恒 功率控制方案。 即在电网电压高时降低电锅炉加热 率,在电网电压低时,提高电锅炉加热率,使电锅炉 的功率在一个小范围内恒定不变。 为了确保电锅炉 运行安全可靠,采用以恒功率控制为主,以加热率控 制和比例控制为辅的控制方式。 2 . 1. 2ꢀ 采用 Profibus DP 通讯方式采集电锅炉电 流、电压和实时功率 ꢀ 敷设智能配电综合监控单元 PDM-810PLV-DP ꢀ 到 PLC 控制器之间的 DP 通讯电缆,并接好线。 然 后,在 Step7 程序硬件配置里安装 PDM-810 的 GSD 文件,安装好后,将监控单元 PDM-810 拖到 DP 总线 上,并设置好其地址、波特率和通讯方式。 智能配电 综合监控单元 PDM-810PLV-DP 的 DP 通讯信息说 明见表 1。 采用通讯方式的优势是可以同时将各相 的实时电压和电流一并采集,有利于对电锅炉的运 2 . 1ꢀ 电锅炉实时功率采集 要实现电锅炉恒功率控制,根据现有条件无法 实现,需要对电锅炉的实际功率进行采集,因此需要 增加相关硬件。 采集电锅炉实际功率有两种方案: 2 26 ꢀ ꢀ 唐新安ꢀ 康承希:电锅炉负荷波动分析与稳定控制ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 5 月第 5 期 行数据进行实时监视。 电锅炉加热率为 60;若 Pr测 >364 kP,自动设定电锅 炉加热率为 70。 自动比例控制逻辑流程见图 3。 表 1ꢀ PDM-810PLV-DP 的 DP 通讯信息表 序号 属性 名称 备注 1 2 3 4 5 6 7 8 9 IA IB A 相电流值 B 相电流值 C 相电流值 A 相电压有效值 B 相电压有效值 C 相电压有效值 3 相不平衡电流 功率因数 WORD WORD WORD WORD WORD WORD WORD WORD WORD WORD IC UA UB UC 3IO PF 第 1 块 表 P 有功功率 10 11 12 13 14 Q 无功功率 ∗ IO 开关量输入及继电器输出状态 注 A WORD ∗ Alarm E+H E+L 越限报警的状态指示 注 B 有功电能 WORD WORD WORD 无功电能 2 . 2ꢀ 功率采样值工程值转换及异常处理 在 Step7 程 序 内, 功 率 模 拟 量 转 换 使 用 命 令 图 3ꢀ 自动比例控制逻辑流程 当电锅炉内压力小于 360 kP 时,可人为选择恒 功率控制或加热率控制,以选择恒功率控制为主,当 采用恒功率控制方式时,若出现功率测量故障,则自 动切换至加热率控制方式。 [ 3] FC105 ,功率测量逻辑控制程序流程见图 2。 注意 中间变量 M3. 1 和 M3. 2,如果功率变送器出现故 障,如断线或变送器坏导致无测量结果,则 M3. 1 和 M3. 2 将置 1,并在后面程序中将恒功率控制自动切 换到加热率控制模式。 2 . 4ꢀ 恒功率控制逻辑设计 恒功率控制是以电锅炉的实际加热功率为控制 目标。 设定电锅炉加热功率(P设 ) 主要根据加热的 矿浆温度来确定,同时需结合总负荷的控制目标。 因为每个加热管的额定功率为 60 kW,虽然每个加 热 管 的 实 际 功 率 受 电 压 波 动 而 变 化, 在 此 仍 以 60 kW 为一个计数单元。 当电锅炉设定加热功 率后,PLC 会将设定功率值和测量功率反馈值(P测 ) 做比较,并根据比较结果发出合闸或分闸命令。 如 果功率设定值 P设 大于实际功率 P测 ,则 PLC 发出投 加热管命令,直到 P设 ꢁP测 <60 kW;如果功率设定值 P设 小于实际功率 P 测,则 PLC 发出退加热管命令, 直到 P设 ꢁP测 >ꢁ60 kW;如果ꢁ60 kW<P设 ꢁP测 <60 kW,则电锅炉实际功率达到控制的值,PLC 不发出 合闸或分闸命令。 图 2ꢀ 功率测量逻辑控制程序流程 2 . 3ꢀ 电锅炉逻辑控制方式确定 为保证电锅炉安全可靠运行,当电锅炉内压力 当电锅炉设定加热功率与实际功率达到平衡 后,若出现电网电压升高,使 P设 ꢁP测 <ꢁ60 kW,则 PLC 发退出加热管命令,直到 P设 ꢁP测 >ꢁ60kW。 若 出现电网电压降低,使 P设 ꢁP测 >60 kW,则 PLC 发投 入加热管命令,直到 P设 ꢁP测 <60 kW。 虽然电网电 压变化频繁,且电压波动幅度较大,但由于可以实时 大于 360 kP 时,仍采用自动比例控制模式。 自动比 例控制模式,即根据电锅炉实际蒸汽压力大小,按事 先设定的加热率运行。 即:若 Pr测 >380 kP,则自动 设定加热率为 0,电锅炉停止加热;若 Pr测 >376 kP, 自动设定电锅炉加热率为 40;若 Pr测 >372 kP,自动 设定电锅炉加热率为 50;若 Pr测 >368 kP,自动设定 2 27 总第 589 期 现代矿业 2018 年 5 月第 5 期 检测到电锅炉的实际功率,PLC 可根据实际功率变 化,及时准确地投、退电加热管,使电锅炉实际功率 保持在设定值左右波动,且上下波动幅度不超过 60 kW。 这样电锅炉的实际加热功率受电网电压波动 的影响大大降低,实现了电锅炉的恒功率控制。 为了避免电锅炉频繁投、退加热管,降低接触器 频繁吸合频率,尽量保证电锅炉的稳定,当电网电压 波动时,如果电锅炉设定功率与实际功率之差大于 其中,当电锅炉内实际蒸汽压力 Pr测 >360 kP 时,自 动切换至自动比例控制模式;当 Pr测 <360 kP 时,即 可选择恒功率控制模式,也可选择加热率控制模式, 其中主要选择恒功率控制模式;当电锅炉实际功率 测量出现故障,即 P测 反馈异常时,则自动切换至加 热率控制模式,以保证电锅炉的运行可靠性。 电锅 炉控制总逻辑流程见图 6。 6 0 kW 时,PLC 并不立即投、退加热管,而是设置了 延时 1 min 再执行投、退加热管命令。 这样,可避免 电锅炉因电网电压波动而频繁投、退加热管。 如果实际功率测量值反馈异常,即出现故障,则 自动由恒功率控制模式切换至加热率控制模式,增 加了电锅炉运行的可靠性。 恒功率逻辑控制流程见 图 4。 图 5ꢀ 加热率控制逻辑流程 3 ꢀ 结ꢀ 语 赞比亚中色卢安夏矿业有限公司湿法厂通过对 电锅炉恒功率控制技术改造,实现了电锅炉的自动 恒功率控制。 每台电锅炉实际功率可控制在设定值 ± 60 kW 范围内波动,5 台电锅炉实际总功率波动范 围设定值为±300 kW,即 5 台电锅炉总负荷波动范 围为±0. 3 MW,相比改造前的±1. 5 MW 波动量减少 1. 2 MW。 经过一段时间的运行观察,电锅炉运行稳 定、可靠,且负荷控制效果理想,不仅实现了稳定全 厂用电负荷的目的,而且有效降低了企业的用电需 量,每月节省电费超过 60 万元,取得了良好的经济 效益。 图 4ꢀ 恒功率逻辑控制流程 2 . 5ꢀ 加热率控制模式 加热率控制模式是以投入加热管的数量为控制 目标的控制方式。 设定电锅炉的加热率,即设定投 入加热管的数量。 人为设定加热率后,加热率不会 随电压波动变化,除非人为改变电锅炉的加热率。 加热率控制逻辑流程见图 5。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1]ꢀ 郭海山. 供热电锅炉的 PLC 控制系统优化设计[J]. 黑龙江电 力,2011,33(3):178-179. 2 . 6ꢀ 电锅炉总控制逻辑 综上所述,电锅炉一共涉及 3 种控制方式,自动 2]ꢀ 徐建军,汤钰鹏. 供暖锅炉监控系统[ J]. 电气传动,2000(3): 45-47. 比例控制模式、恒功率控制模式和加热率控制模式。 2 28 ꢀ ꢀ 唐新安ꢀ 康承希:电锅炉负荷波动分析与稳定控制ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 5 月第 5 期 图 6ꢀ 电锅炉控制总逻辑流程 [ 3]ꢀ 胡学林. 可编程控制器教程( 提高篇) [M]. 北京:电子工业出 ( 收稿日期 2018-03-02) 版社,2005. ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ ( 上接第 209 页) 行 10 次测定并计算其标准偏差, 4ꢀ 结ꢀ 论 以 6 s 计 算 方 法 的 检 出 限, 得 到 该 方 法 检 出 限 为 0. 03 mg / L。 试验通过对湿法碱性炼锑工艺浸出液中的金采 用火试金法熔融、灰吹、硝酸溶解金银合粒、王水溶 解剩余的残渣,以水定容、过滤,得到测定溶液后,用 原子吸收分光光度法测定溶液中的金含量。 试验结 果表明,该方法金测定结果的相对标准偏差(RSD) 为 2. 3% ~ 3. 6% ,操作简便,劳动强度小,符合生产 实际,适用于湿法炼锑浸出液中金的分析。 3 . 4ꢀ 方法精密度 取不同生产日期的两个不同编号的浸出液,按 照以上试验方法进行分析,在最佳仪器工作条件下 用标准曲线法测定,其结果见表 4(n =12)。 表 4ꢀ 方法精密度的试验结果 测定值 (mg/ L) 平均值 RSD / (mg/ L) / % 样品编号 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 / 0 . 32 . 31 0. 31 0. 31 0. 31 0. 31 0 0 0 0 [ 1]ꢀ 曾妙先. 火试金法在贵金属元素分析中的应用[J]. 黄金,2003 (5):48-50. # 2017SF-1 0. 31 2. 30 0. 96 3. 60 . 31 0. 31 0. 30 0. 29 0. 30 0. 31 . 96 1. 02 0. 96 0. 95 0. 92 1. 02 [2]ꢀ 倪文山,孟亚兰,姚明星,等. 铅试金富集-塞曼石墨炉原子吸收 光谱法测定矿石中铂钯铑铱[J]. 冶金分析,2010,30(3):23- # 2017SF-2 0 . 91 0. 96 0. 95 0. 95 0. 94 . 93 2 6. ꢀ ꢀ 由表 4 可知,浸出液中金的测定结果相对标准 [ 3]ꢀ 符永际. 矿石中低含量金的测定[J]. 黄金,2014(S):214-216. 偏差在 2. 3% ~ 3. 6% 。 ( 收稿日期 2018-03-02) 2 29
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