DCS在风机变频调速系统中的应用与设计

摘要：通过采用变频技术和DCS稳定的计算机控制技术，能够实现引送风机转速的改变控制风量大小，达到节能降耗的目的。把DCS系统融入到电子系统中，能够有效提升电气设施的工作效率，将会影响我国电力系统的自动化发展。文章就DCS在风机变频调速系统中的应用与设计的相关问题进行了探讨。

关键词：DCS；风机变频调速；节能降耗；应用与设计 文献标识码：A

中图分类号：TH445 文章编号：1009-2374（2015）24-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.007

1 问题提出

公司5台锅炉（三用两备），厂家：四川锅炉厂，型号：CG220t/9.8。每台锅炉两台引风机和两台送风机，厂家：武汉鼓风机厂，引风机型号：LH-BR260SW（IDF），送风机型号：LH-FR145D，变频器型号为：ZINVERT-A8H1150/10Y。锅炉DCS控制系统为FOXBRO公司的I/A控制系统。

锅炉的引送风机主要是进行恒速运作，依靠风门挡板的调节能够控制风量。但是恒速运转的电动机驱动风机，其自身就非常浪费资源。当我们调节锅炉的蒸发量、锅炉的温度以及锅炉的压力时，一定要记得及时调节风门，让其尽快适应负荷的变化。通过挡板位置的改变来控制送风量，风机电机本身利用的能量没有多大变化，电动机的轴输出功率也几乎没变，这时我们就可以改变风门来调节送风量，进而满足锅炉工作的需求，然而，这样一来不仅会降低电能的利用率，还会增加额外的损耗。假如我们采用变速运作的模式，就会完成节能操控。

2 风机DCS变频调速系统改造方案

图1 风机DCS变频调速系统框图

2.1 变频器与DCS接口

启动变频器（DI）：“远程控制”方式下，驱动变频器启动指令。信号需求为3秒脉冲。有“待机状态”反馈后，变频器才能接受执行该命令。

停止变频器（DI）：“远程控制”方式下，驱动变频器停止指令。信号需求为3秒脉冲。该指令相当于软停，变频器执行该指令后，开始减速，减速至停止频率后，自动停止输出功率，并进入“停止状态”和“待机状态”等待下次启动。

风门/阀门位置反馈（DI）：在变频器故障转工频率时，当风门或阀门关到设定值时，反馈给变频的信号。信号需求为3秒脉冲。

工频转变频（DI）：“远程控制”方式下、且控制柜门背面的“手动旁路/自动旁路”旋钮进行选择“自动旁路”、“允许跳进线开关”合上，“允许合进线开关”合上，刀闸K1，K2合闸状态下。

转速给定（AI）：远程频率给定。DC4～20mA信号4mA对应1Hz，20mA对应50Hz；

同步转速反馈（AO）：当前电机的同步转速反馈，为理想空载转速反馈。DC4～20mA信号，4mA对应1Hz，20mA对应50Hz；

输出电流反馈（AO）：当前电机定子电流反馈，为变频电流。DC4～20mA信号，4mA对应0安培，20mA对应2倍的电机额定电流。因此DCS程序中，该电流量程应设为2倍的电机额定电流。

轻故障（DO）：控制回路加电后变频器循环自检后的结果反馈。若运行时发生“轻故障”信号，表示变频器发生轻微故障，但是照常输出功率，若停止时发生，表示设备有轻微故障未被排除，但不影响启动和运行

操作。

重故障（DO）：控制回路加电后变频器循环自检后的结果反馈。若运行时发生“重故障”信号，“运行”状态信号随即丢失，则变频器立即封锁控制脉冲并停止输出功率，并进入待机重启的程序，在设定的时间内（默认5秒），多次伺机自动重启。若重启成功后，变频器重新输出功率，“重故障”信号立刻消失，“运行状态”信号随即重现。

待机状态（DO）：给变频器送高压后，单元中电容直流电压>65%后，该信号自动产生，表示变频器等待接收“启动”指令。运行状态输出功率时，“待机状态”立刻消失。

运行状态（DO）：变频器工作在输出功率状态。运行过程中，“重故障”产生时，“运行状态”信号会

丢失。

停止状态（DO）：变频器没有输出功率的状态。运行过程中，“重故障”自动消失时，“停止状态”会

消失。

工频状态（DO）：指旁路柜中隔离刀闸、接触器等开关设备的组合状态，均分合到了工频位置。与“变频状态”信号相反。

变频状态（DO）：指旁路柜中隔离刀闸、接触器等开关设备的组合状态，均分合到了变频位置。与“工频状态”信号相反。

远程控制（D0）：远方可以驱动变频器的“启动”、“停止”、“急停”、“复归”、“变频转工频”、“工频转变频”指令。频率给定方式不受此

控制。

就地控制（DO）：变频器现场可以驱动变频器的“启动”、“停止”、“急停”、“复归”、“变频转工频”、“工频转变频”指令。频率给定方式不受此

控制。

关风门/阀门信号：（DO）：变频器在故障停机，自动转到工频时通知用户关风门/阀门信号，最长一分钟的脉冲信号，或当接收到风门/阀门位置反馈信号，此信号就会消失。

2.2 风机自动旁路柜的接线方案

图2 风机变频电气一次接线原理图

该方案由3个真空接触器J1、J2、J3以及2个高压隔离开关K1、K2组成，其中J1、J2、J3为高压真空接触器，用于变频和工频的切换。K1和K2为高压隔离开关，一般情况下处于合闸状态，仅在变频器及真空断路器检修时拉开，用于电机工频运行情况下对变频器及真空接触器进行安全检修；并且J1、J2与J3电气互锁，防止电机同时工/变频运行。QS为原风机电机高压断路器。变频器功率单元柜由15个功率单元组成，每5个功率单元串联组成一相，三相Y型连接。当其中某一相某个功率单故障时，同时切除其他两相对应功率单元，不影响引风机的正常运行。

同时，为了保证引风机电机及变频器安全、可靠、长周期运行，系统还设置有下列联锁保护。

变频器启动允许条件：风机高压断路器合闸条件保持原有条件不变，变频器启动允许条件为变频器备妥及风机入口挡板关闭，变频器备妥包括变频器无重故障报警，K1、J1和K2、J2合闸，高压断路器已合闸。

高压断路器能够合闸的条件：就是变频器需要保持待机状态，这样就能进一步表明变频器的自我检查符合要求，能够进行高压操控。这个接点处需要与高压开关的合闸进行串联，完成后才能进行合闸。这个接点只有在闭合时才能正常工作。

工频高压断路器的分闸处理：小车的位置发出有效信号后，接点处进行闭合，这样高压断路器就已经完成分闸，而高压断路器进行合闸时，这个接点就会断开。这个接点需要是无源的干接点。

紧急情况下的高压分断：这种情况发生的前提是变频器出现了重大问题无法正常工作，变频器就会自动运用断路器QS进行高压分断。此处接点会与高压断路器的分闸进行连接，闭合接点之后就要分闸。

3 节能分析

3.1 直接经济效益

根据风机平方转矩负载关系式：P/P0=（n/n0）3计算，式中P0为额定转速N0时的功率，P为转速n时的功率。以一台锅炉使用的900kW引风机为例，运行工况为一天24小时连续运行，其中每天11小时运行在90%负荷（频率按46Hz计算，挡板调节时电机功耗按98%计算），13小时运行在50%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算），全年运行时间在300天为计算依据。

则每台引风机变频调速运行时，每年的节电量为：

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

挡板开度时的节电量为：

W1=900×（1-98%）×11×300=59400kW·h

W2=900×（1-70%）×13×300=1053000kW·h

Wd=W1+W2=59400+1053000=1112400kW·h

相比较节电量为：Wb-Wd=2830256.64kW·h

每度电按0.4元计算，则采用变频调速每年每台引风机可节约电费113.2103万元。

3.2 间接收益

首先，可以促进电机的软启动，能够减少频繁操作引发的电机绝缘能力下降，进而增加电机的使用周期。

其次，能够运用变频调节让挡板全部打开，降低了能量损耗，完成匀速运转，符合峰值的要求，减少了电能损耗。

再次，由于负荷减少导致转速变小，进而降低了机械摩擦损耗，可以适当推迟风机的维修时间，降低了维修成本。

最后，这样还能实现高准确度的控制，提升抵抗干扰的能力，针对突发状况能够实施相应的保护，确保电机以及风机的稳定工作。

4 结语

最近几年，我国的经济飞速发展，社会对电力行业的需求越来越高，电力供求之间出现了不平衡，我国很多地区都进行了限制用电、拉闸进行节能。人们重视节能主要是因为节能不仅可以推动生产，减少资金投入比例，还能提升经济效益。对于使用电力资源的我们来说，首先考虑的就是如何采取措施完成节能操作。经过一系列研究我们可以发现，DCS控制体系能够实现对电气设备的操控，这样可以完善电力系统的控制系统，实现电能的统一节能管理。把DCS系统融入到电子系统中，能够有效提升电气设施的工作效率，将会影响我国电力系统的自动化发展。

参考文献

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[5] 赵清.变频器与电动机控制电路解读[M].北京：电子工业出版社，2011.

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作者简介：张增豪（1981-），男，广西人，供职于广西华银铝业公司计控部。

（责任编辑：周 琼）