采用数显仪表和变频器控制蒸汽锅炉水位的方法

摘要：针对蒸汽锅炉补水泵普遍采用变频调速和PID调节相结合的控制方法，提出了采用数字显示仪表的上下限输出触点进行变频器频率控制的方法，选择了锅炉水位测量仪表和变频器，给出了相应的主电路和控制电路原理图，设置了变频器的相关参数。实际运行表明，设备运行更可靠，调节更方便。

关键词：蒸汽锅炉；补水泵；变频器；水位控制；数显仪表

通常蒸汽锅炉根据锅炉水位控制补水泵的起动和停止，以满足锅筒内的水位在要求的范围之内。文献[1]介绍了采用变频器驱动蒸汽锅炉补水泵以满足锅筒水位要求的控制原理，并进行了节能分析，给出了相应的控制原理框图。文献[2]至[6]则针对热水锅炉介绍了补水泵采用变频器控制的方法，尽管不同于蒸汽锅炉补水泵的控制，但也有相同之处，可以参考。这些文章的不足之处是只有原理性的介绍，或只有控制简图，电路不具体。采用变频器控制蒸汽锅炉补水泵的主要目的是首先要保证锅炉水位在要求的范围之内，设备运行可靠，其次是节约用电。为此，本文采用水位传感器进行测量、数字显示仪表进行显示和控制，并利用变频器调节电动机的转速来控制补水泵的补水量，以满足锅炉水位要求。文中给出了较为详细的电路，并以某一品牌的变频器为例进行介绍，设置了相关参数。

1　补水要求

蒸汽锅炉的水位控制极其重要，锅炉缺水极易造成重大事故，因而对锅炉补水泵的控制非常关键。图1所示为蒸汽锅炉锅筒与补水泵的连接示意图。在锅炉的燃烧过程中，锅筒内的水受热变成了蒸汽，锅筒内的水因此而减少，水位下降。利用水位传感器测量出锅筒内的水位，通过数字显示仪表显示出来，并能根据水位的变化及时控制补水泵运行，从而确保锅筒内水位在要求的范围之内，不致使锅炉缺水，以免影响蒸汽供应特别是锅炉的安全。

2　补水控制原理

为了确保锅炉在送出蒸汽时锅筒内的水位变化不大，采用变频器控制补水泵的转速从而控制其补水量。把水位传感器测出的水位信号送至水位数字显示仪表，分别设置水位数显仪表的两个常开输出触点为高水位和低水位时闭合，则当水位为高水位时，高水位常开触点闭合，接通变频器的一个数字输入端，使变频器的输出频率减小，当水位为低水位时，接通变频器的另一个数字输入端，变频器的输出频率增大，当水位介于高低水位之间时，保持变频器输出频率不变。这样补水泵的转速随之而变，补水泵的补水量可确保锅筒水位在设定的高低水位之间。当高低水位的差值较小时，锅筒水位稳定在一个较小的范围。图2为实现上述功能的原理框图。

图1　蒸汽锅炉锅筒与补水泵连接图

图2　补水泵控制原理图

3　补水泵电气电路

蒸汽锅炉补水泵一般采用多用一备的方式，其中以一用一备和两用一备居多,下面以两用一备为例进行介绍。图3为两用一备补水泵的电气主电路。其中，1号和2号补水泵既可工频运行又可变频运行，3号补水泵只能运行于工频状态。图中，QS为与三相供电电源相接的空气开关，KM0为变频器进线接触器，接触器KM1与KM3用于切换变频器所驱动的1号和2号补水泵电动机，通过控制电路中的按钮进行选择，先按者由变频器驱动。KM2、KM4和KM5为1号、2号和3号补水泵电动机工频运行接触器。FR1、FR2和FR3为电动机工频运行时进行过载和缺相保护的热继电器。

图3　补水泵电气主电路

与图3主电路相对应的控制电路如图4所示。图中QF为控制电路电源开关，SW1为转换开关，用于选择补水泵的工作状态，当打到手动状态时通过按按钮起停相应的水泵，水泵运行于工频状态。当SW1打到自动状态时，通过按钮起动或停止相应的补水泵，由变频器驱动该水泵电机，变频器自动调整输出频率以改变水泵的出水量，用以满足锅筒水位的要求。当1台水泵难以满足要求时，自动起动另一台水泵，该水泵为工频运行。工频与变频之间设置了相应的互锁，确保二者不同时驱动，以免损坏变频器。用于接通变频器与1号、2号补水泵的接触器KM1和KM3也设置了互锁，避免变频器同时驱动两台补水泵。在自动运行状态时，由变频器的输出继电器常开触点控制另一台水泵的起停，如图4中虚线框内TA和TC之间的常开触点。1号泵和2号泵一般互为备用，当转换开关SW2打向右侧时，不管是1号泵还是2号泵变频运行，起动的第2台水泵总是3号泵。只有在3号泵故障时，把转换开关SW2打向左侧，起动的第2台泵才不会是3号，而是与变频器所驱动的水泵相反的一台，即若变频器驱动1号泵补水，当1号泵运行频率达到50Hz时补水量仍不能满足要求，会自动工频起动2号泵。当两台泵补水时，若变频器输出频率达到下限值时水筒水位仍为高水位，则自动停止工频泵，由一台泵变频补水。

图4　补水泵电气控制电路

4　变频器及仪表的选择及参数设置

变频器选用山东深川电气科技有限公司生产的SVF-EV系列产品。电源进线接触器KM0接变频器的R、S、T端，电动机接触器KM1、KM3接变频器输出端U、V、W端，图5给出了控制端接线图。图中，S1端为变频器运行输入端，由KM1、KM3的常开辅助触点控制，S2接锅筒低水位信号，S3接锅筒高水位信号。变频器参数设置如下：

F0.00：4，多段速运行设定；

F0.01：1，变频器频率增减设定有效，端子控制；

F0.03：1，端子控制起停；

F0.06：50Hz，电动机额定频率；

F0.07：380V，电动机额定电压；

F0.08：1，机型选择，选择P型机（风机泵类）；

F0.10：加速时间，根据具体情况设定；

F0.11：减速时间，根据具体情况设定；

F0.12：上限频率，根据具体情况设定；

F0.13：下限频率，根据具体情况设定；

F2.11：1，上电端子运行选择，上电时有效；

F7.00：01，多功能端子S1功能选择正转运行；

F7.01：09，多功能端子S2功能选择频率设定递增；

F7.02：10，多功能端子S3功能选择频率设定递减；

F7.08：1.5Hz，端子上升下降频率增量变化率；

F7.09：07，上限频率到达继电器有输出；

FH.00：电动机额定转速；

FH.01：电动机额定功率；

FH.00：电动机额定电流；

FL.00：1，电动机过载保护方式为普通电机；

FL.01：电动机过载保护电流；

FL.04：自动限流水平，根据现场确定。

其他参数采用变频器出厂确认值。

图5　变频器控制端子接线图

仪表及水位传感器选用SZD-K型液位控制仪，该仪表可同时进行水位测量与显示。检测水位的传感器为电感式浮球传感器，将液位信号转换成一个线性的电压信号，该信号送入数显仪表后进行显示，同时有两个输出继电器可作为水位上下限信号，上下限值可以在仪表上设定，这里作为变频器频率增减的控制信号。

5　结论

采用该方法控制蒸汽锅炉补水泵后，在蒸汽用量发生变化时锅筒内的水位保持在了设定的范围之内，系统稳定可靠，达到了预期效果。与常用的PID调节的变频补水泵相比，更易让现场工人接受，不存在不稳定问题。实际运行表明，补水效果良好，深受用户欢迎，可推广应用。