基于PID 实现对锅炉循环泵的智能控制

李霍生

（山西省煤炭地质144 勘查院， 山西 洪洞 041600）

引言

为保证锅炉供热的稳定性，降低供热成本，需对其关键部件包括循环泵和补水泵的运行参数进行合理控制。从理论上看，基于计算机技术实现对锅炉循环泵的PID 控制，对于确保循环泵处于最佳工作状态，保证其运行和燃煤效率，同时改善现场作业人员的工作环境，实现自动化管理具有重要意义[1]。本文将重点基于PID 实现对锅炉循环泵的智能化控制，最终达到节约能源、减少污染的目的。

1 锅炉循环泵恒速控制现状分析

目前，锅炉循环泵主要采用恒定速度进行控制，在实际生产中主要控制路径为通过对循环泵出水管路上调节阀的调节实现对锅炉流量和压力控制。经过多年应用，采用上述恒速控制主要存在如下问题：

1）在实际生产中，需根据供暖参数不间断地通过调节阀对流量和压力进行控制，这便导致调节阀频繁运转，且调节阀经常出现卡死、泄露流量甚至损害的情况，从而影响供暖效率和稳定性。

2）循环泵在恒速条件下运行，不仅供热效率低，还会造成能源浪费。同时，循环泵长期处于高速运转状态，加剧了循环泵零部件的磨损，从而降低锅炉的整体使用寿命。

3）目前，循环泵主要通过人工根据操作人员的经验对调节阀进行控制，在整个控制过程中表现为控制的滞后性、不稳定性以及低自动化水平[2]。

2 循环泵变频调速系统设计

2.1 变频器控制原理

变频调速系统为实现循环泵智能控制的主要环节。所谓变频调速指的是，系统能够根据实际需求对循环泵电机转速/频率进行控制，从而达到预期的控制效果。该控制方式最明显的优势在于实现系统节能运行，即当需要增加供暖流量时，循环泵电机转速/频率增加实现循环流量的增加；当需要减小供暖流量时，降低循环电机的转速/频率；同时，变频调速控制方式还能够有效解决系统在启动阶段对电机造成的冲击问题[3]。

上述循环泵变频控制的主要依据是用户所需的热量。当用户所需热量不足时，应通过变频器增加流量的方式进行控制；当用户所需热量过剩时，应通过变频器控制减小流量。

2.2 变频器的选型

一般的，变频器主要根据其结构进行分类包括交-交变频器和交-直-交变频器。目前，工业中常用的变频器为交-直-交变频器，其结构如图1 所示。

图1 交-直-交变频器结构

如图1 所示，交-直-交变频器主要由整流器、逆变器、中间直流环节和控制电路组成。结合循环泵的实际工况包括负载类型、控制任务、电机额定功率及电流等原则对适用于循环泵的变频器进行选型。

综合对比目前市场上各型号变频器，本工程最终确定选用型号为MM430 的变频器。该型号变频器可支持额定功率为7.5～250 kW 的电机运行，可实现对循环泵电机的分级控制、自动控制、手动控制等功能[4]。

3 循环泵智能控制功能的实现

3.1 循环泵智能控制原理

在传统循环泵系统加入上述变频器的基础上，为实现对循环泵实时、自动化、精确控制，具体基于PLC控制器并结合模糊PID 控制算法进行控制，具体控制原理如图2 所示。

如图2 所示，基于PLC 和模糊PID 控制算法对循环泵流量控制的主要依据为管路内的供水温度和回水温度、室外温度，上述三类温度值均通过温度变送器进行采集。具体控制原理如下：用户室内温度根据相关标准一般设定为20 ℃（即供水温度一般为恒定值），根据室外的实时温度值经过查表得出最佳供回水温度差；并结合所采集到回水管路的实时温度对回收流量进行控制，以保证供回水温度差满足当前的室外温度下的要求。

图2 循环泵模糊PID 控制系统结构框图

值得注意的是，由于供暖管路中存在一定的管路阻力，本工程中的变频器需设定一个下限值，以保证循环泵的最低转速保证管路阻力，从而有效避免锅炉爆炸或者管路爆裂的事故发生。此外，根据循环泵的工况，设定变频器的上限值为50 Hz。

3.2 模糊控制参数的确定

模糊控制算法应用于对循环泵控制的关键在于算法中的修正值。结合循环泵的工作情况和模糊PID控制算法的原理，设计如图3 所示的流程对模糊PID算法中的修正值进行确定。

基于如图3 所示的程序，最终确定模糊PID 算法中积分环节系数为0.03，微分环节系数为0.174，比例积分环节系数为0.005 4。

图3 模糊PID 算法修正程序流程

3.3 智能控制系统应用效果分析

将上述结合循环泵工况确定模糊PID 控制器中各个环节的因数应用于循环泵的智能控制中，经实践应用循环泵基于PID 和PLC 控制器实现的智能控制，其效应主要表现为：提升锅炉的供热效率，提高循环泵自动化控制水平，降低现场作业人员的劳动强度；基于智能化控制后循环泵的耗能明显减小，对循环泵零部件的损耗减小，间接节约了循环泵的运行成本[5]。

经实践表明，循环泵采用智能化控制与传统采用恒速控制相比，每台循环泵每天节约电能430 kWh，在供暖期的190 d 内共节约电能为8.1 万kWh，电费按照0.5 元/kWh 计算，单台循环泵在整个供暖期共节约费用约4 万元。对于大型供热公司，可节约将近百万元的费用。

4 结语

循环泵作为燃煤供热锅炉的主要部件，传统循环泵采用恒速控制，存在能耗大、零部件损耗大以及控制存在严重滞后性的问题。为进一步提升供热效率，降低供热成本，基于PLC 和模糊PID 控制算法实现对锅炉循环泵的智能化控制。实践表明，锅炉循环泵采用智能化控制方式具有明显的节能效果，每台循环泵在供暖期内可节约电费4 万元。