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斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)在汽輪機(jī)循環(huán)水供熱中的應(yīng)用

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

   摘  要:本文主要介紹了利用汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)水余熱作為采暖供熱介質(zhì),循環(huán)汽泵尾部排汽再利用,以及循環(huán)電動(dòng)泵的變預(yù)調(diào)速裝五在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用,并分析了它們的節(jié)能原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。 
       關(guān)鍵詞:新波內(nèi)情調(diào)速電機(jī);析波內(nèi)饋控制裝五;汽輪機(jī);循環(huán)水供熱系統(tǒng) 
       1 引言 
       在城市民用采暖系統(tǒng)中,一般采用過(guò)熱蒸汽通過(guò)換熱器將供熱介質(zhì)加熱的方式。本方案利用汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)水作為采暖供熱介質(zhì),充分利用了汽輪機(jī)循環(huán)水余熱,達(dá)到了節(jié)省能源的目的。通過(guò)適當(dāng)犧牲凝汽器真空的方法,提高循環(huán)水溫度,經(jīng)供熱旁路提供民用采暖供熱,或經(jīng)加熱器進(jìn)一步提升溫度,然后再供熱給用戶。目前,在熱電行業(yè)中,這種供熱方式還處于發(fā)展階段。 
       2  循環(huán)水供熱系統(tǒng)方案的選擇 
       
為了充分利用廢棄能源,提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,經(jīng)廠專家組研究分析,利用汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)水余熱作為采暖供熱介質(zhì),供熱面積可達(dá)100多萬(wàn)m2。在本方案中,采用兩路供熱方式:一路是在環(huán)境溫度較高的情況下,直接利用60一70℃循環(huán)水,通過(guò)供熱旁路進(jìn)行采暖供熱;另一路是在環(huán)境溫度較低的情況下,通過(guò)加熱器進(jìn)一步提升溫度,然后再供熱給用戶。循環(huán)水供熱系統(tǒng)如圖1所示。



圖1汽輪機(jī)循環(huán)水供熱系統(tǒng) 

       

3   斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 
       
ZNT - 2000型斬波內(nèi)饋交流調(diào)速系統(tǒng)是一種適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載節(jié)能降耗的新型高壓交流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由YQT型斬波內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)和ZNK斬波控制裝置組成。斬波內(nèi)饋是基于轉(zhuǎn)子調(diào)速控制的調(diào)速,是一種利用低電壓(通常約為220-500V)控制高壓(6一lOkV)的合理方案。該系統(tǒng)原理新穎、性能先進(jìn)、具有調(diào)速平滑、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn),較常規(guī)變頻調(diào)速系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。調(diào)速系統(tǒng)原理如圖2所示。 
       根據(jù)電機(jī)調(diào)速的功率控制原理,內(nèi)饋調(diào)速的實(shí)質(zhì)是在于將轉(zhuǎn)子的部分電磁功率移出,使余下的轉(zhuǎn)子功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率,因此移出的功率越多,轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率越少,電機(jī)轉(zhuǎn)速就越低。因此,改變移出功率的大小,就可控制輸出機(jī)械功率的大小,從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。斬波內(nèi)饋調(diào)速的能量原理如圖3所示。

圖2斬波內(nèi)饋交流調(diào)速系統(tǒng)原理 
      

 圖3中轉(zhuǎn)子功率圓斜線右邊部分表示移出功率。它通過(guò)電機(jī)的內(nèi)饋繞組送回定子,以提高效率。內(nèi)饋電機(jī)設(shè)置了內(nèi)饋繞組,目的是接收從轉(zhuǎn)子移出的功率。在接收移出功率的同時(shí),又將移出功率送還給定子。定子繞組功率P,二P em一P3 = Pm,即定子繞組供出的只是機(jī)械功率,在調(diào)速時(shí)機(jī)械功率圓面積越小、定子功率圓面積就越小,電機(jī)就可實(shí)現(xiàn)高效率的節(jié)能運(yùn)行。




圖3內(nèi)饋調(diào)速功率圓示意圖4斬波內(nèi)饋調(diào)速控制方案 
       

在該供熱系統(tǒng)中,選擇6kV, 450kW ( YQT2 -450一8)的高壓電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速電機(jī)。以循環(huán)電動(dòng)泵作為供熱動(dòng)力,通過(guò)斬波內(nèi)饋裝置調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)恒壓供熱,供熱介質(zhì)壓力設(shè)定在0.6一0. 7MPa之間,能夠滿足一般城市居民的供熱要求。對(duì)于樓層較高的居民,可通過(guò)二級(jí)加壓的方法進(jìn)一步提高介質(zhì)壓力,以便滿足樓層要求。 
       斬波內(nèi)饋調(diào)速控制器作為恒壓供熱控制系統(tǒng)的核心,要完成對(duì)系統(tǒng)所有輸入信號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、所有控制流程的實(shí)現(xiàn)以及控制算法的實(shí)現(xiàn),等等。調(diào)速控制器采用PID控制算法,它是應(yīng)用最廣泛的一種自動(dòng)控制器,具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、適用性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于大多數(shù)控制對(duì)象都能獲得滿意的控制效果。 
       在本系統(tǒng)中,由于控制過(guò)程對(duì)精度要求不高,但要求系統(tǒng)控制平穩(wěn),執(zhí)行機(jī)構(gòu)不要頻繁動(dòng)作,故選用帶死區(qū)的PID增量式控制算法。所謂帶死區(qū)PID增量式控制算法,就是在計(jì)算機(jī)中人為地設(shè)置一個(gè)不靈敏區(qū)β,當(dāng)偏差的絕對(duì)值小于β時(shí),不會(huì)產(chǎn)生新的控制增量,控制量維持不變;當(dāng)偏差的絕對(duì)值大于β時(shí),則進(jìn)行正常的PID增量式運(yùn)算后輸出。 
       4.1靳波內(nèi)饋調(diào)速控制器的硬件組成
斬波內(nèi)饋調(diào)速控制器硬件系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為控制核心,包括輸入通道、輸出通道、顯示鍵盤電路、電源電路。 
       AT89系列的單片機(jī)89C52為中心控制CPU,它以MCS - 51為內(nèi)核,與MCS - 51系列的軟硬件兼容。它體積小,使應(yīng)用更加靈活,時(shí)鐘頻率的提高可使運(yùn)算速度加快,在片內(nèi)有Flash存儲(chǔ)器(FPER-OM),使調(diào)試開發(fā)更為方便。AT89系列的單片機(jī)是一種總線工業(yè)計(jì)算機(jī),和IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)在軟件上完全兼容。采用無(wú)源底板結(jié)構(gòu),將主板模塊化,可以在故障時(shí)迅速替換,一般使用電子盤固化應(yīng)用程序,不使用機(jī)械盤運(yùn)行,還特殊設(shè)計(jì)了監(jiān)視跟蹤定時(shí)器,對(duì)于各種干擾造成的程序紊亂可在無(wú)人干預(yù)下自動(dòng)復(fù)位??刂破鞯目刂坪诵牡慕M成如圖4所示。



圖4控制器的控制核心組成框圖 

     

  4.21/0通道單元 
       (1)供熱母管壓力測(cè)量信號(hào)和供熱壓力給定信號(hào)通道 
       供熱母管壓力測(cè)量信號(hào)和供熱壓力給定信號(hào)為 模擬量輸入信號(hào),硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。
        各組件介紹: 
        ①輸入級(jí):R1為運(yùn)算放大器OP2B的輸入電阻,同時(shí)Rl和Cl組成模擬輸入信號(hào)的濾波電路,濾除公司壓力信號(hào)中的高頻干擾;二極管Dl起輸入嵌位作用,防止輸入模擬電壓過(guò)大;二極管D2起輸入反相保護(hù),防止輸入模擬電壓為負(fù)信號(hào)。 
        ②隔離放大器:運(yùn)算放大器OP2B、電容C12、電阻R16, Rl7, Rl8、電位器W2和光電藕合器M02組成模擬信號(hào)的隔離放大電路;由于光電禍合器具有較大的非線性,直接傳送模擬量時(shí),精度較差,而傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)電路和非線性補(bǔ)償電路既復(fù)雜又龐大,在一般的控制系統(tǒng)中不適用。 



        圖S模擬量輸入通道 
       

電位器W2和光電藕合器M02組成輸出級(jí),M02A和M02B的初級(jí)串聯(lián),共用一個(gè)激勵(lì)電流,假設(shè)為11, R17即為限流電阻。M02B和R18形成負(fù)反饋。假設(shè)M02A和M02B的電流非線性傳遞函數(shù)分別為Gl(11)和G2(I1)。則有 
       12=Gl(11);13=G201) 
       對(duì)于放大器OP2B來(lái)說(shuō),根據(jù)理想運(yùn)算放大器的概念有如下關(guān)系 
       U1=13 x R18;Uo=12xW2 
       隔離放大器的增益為G= Uo/U,,即有G=KxGl/G2,其中K=W2/Rl8o
M02A和M02B為同一封裝的雙光電藕合器TLP521一2,因此可以認(rèn)為它們傳遞函數(shù)的溫度特性和電流非線性完全一致,即Gl=G2,所以G= K,常數(shù)K就為隔離放大器的電壓傳輸比。由于兩個(gè)光電藕合器是對(duì)稱的,一個(gè)作為輸出,一個(gè)作為反饋,補(bǔ)償了它們的非線性,又起到了模擬信號(hào)的隔離作用,能很好地隔離共模干擾。 
       由于光電禍合器初、次級(jí)之間存在傳輸延時(shí),M02B和R18組成的負(fù)反饋電路反映延時(shí),容易引
起自激,因此電容C12就是消除自激振蕩。 
        OA/D轉(zhuǎn)換器:采用ADC0809芯片,是8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換速度快,可接收8路模擬量輸入信號(hào),在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,得到8位的二進(jìn)制數(shù)字量。 
       由于ADC0809片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘,可利用單片機(jī)提供的地址鎖存信號(hào)ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。 
       由于ADC0809具有輸出三態(tài)鎖存器,故其8位數(shù)據(jù)輸出線可直接與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線相連。單片機(jī)的低8位地址信號(hào)在ALE作用下,鎖存在74LS373中。74LS373輸出的低3位分別加到ADC0809的通道選擇端A, B, C,作為通道編碼。將單片機(jī)的P2.7作為片選信號(hào),與麗哀進(jìn)行或非操作得到一個(gè)正脈沖加到ADC0809的ALE和START引腳上。由于ALE和START連接在一起,因此ADC0809在鎖存器地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí),用單片機(jī)的讀信號(hào)反石和P2.7引腳經(jīng)非門后產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號(hào),用以打開三態(tài)輸出鎖存器。顯然,上述操作時(shí),P2.7應(yīng)為低電平。ADC0809的EOC端經(jīng)一反相器連接到單片機(jī)的P3.3端,作為中斷信號(hào)。 
       采用中斷信號(hào)可大大節(jié)省時(shí)間。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),EOC向單片機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào),CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求,由中斷服務(wù)子程序讀取A/ D轉(zhuǎn)換結(jié)果并存儲(chǔ)到RAM中,然后啟動(dòng)ADC0809的下一次轉(zhuǎn)換。 
       (2)斬波器開關(guān)控制信號(hào)通道 
       斬波內(nèi)饋調(diào)速裝置的斬波器開關(guān)是單片機(jī)的模擬量輸出信號(hào),其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。DAC0832是國(guó)內(nèi)使用較為普遍的8位D/ A轉(zhuǎn)換器,由于片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器,故可以直接與單片機(jī)接口。DAC以電流形式輸出,需要外接運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號(hào),以便觸發(fā)斬波器開關(guān)的導(dǎo)通。


圖6斬波器開關(guān)觸發(fā)信號(hào)的模擬量輸出通道 
       

在本系統(tǒng)中DAC0832采用單緩沖器工作方式,即分別將輸入鎖存器的引腳和DAC寄存器相應(yīng)的控制信號(hào)引腳連在一起,使一個(gè)數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器,立即進(jìn)行D/ A轉(zhuǎn)換,此時(shí)鎖存器不起作用。圖中ILE接+5V, Iou二接地,LOUT2輸出電流經(jīng)運(yùn)算放大器變換后輸出單極性電壓信號(hào);片選信號(hào)CS和數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)XFER都與89C52的地址線相連,因此輸入鎖存器和DAC0832的地址都為7FFFH。WR1,WR2均與89052的寫信號(hào)線WR相連。CPU對(duì)DAC0832執(zhí)行一次寫操作,則將一個(gè)數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器,DAC0832的輸出模擬量隨之變化。由于DAC0832具有數(shù)字量的輸入鎖存功能,故數(shù)字量可以直接從89052的PO口送入。 
       (3)斬波內(nèi)饋調(diào)速器觸發(fā)信號(hào)通道 
       單片機(jī)控制觸發(fā)裝置由單片機(jī)89052,1塊16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器芯片8253、晶振電路和一塊帶14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器的可編程RAM/ IO擴(kuò)展器8155組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7觸發(fā)電路 
       三相同步信號(hào)經(jīng)RC移相后使其過(guò)零點(diǎn)正好都對(duì)準(zhǔn)6個(gè)自然換相點(diǎn)。再經(jīng)3個(gè)電壓比較器輸出20ms的三相同步方波信號(hào)送至單片機(jī)。由于同步信號(hào)跳變即為自然換相點(diǎn),單片機(jī)監(jiān)測(cè)到這三位狀態(tài)字,即可進(jìn)入軟件認(rèn)相,并作出士A、士B、士C的標(biāo)志,以供最小逆變角βmin定時(shí)和觸發(fā)控制用。本系統(tǒng)有源逆變器的控制脈沖不再移動(dòng),而是鎖定在最小逆變角,使有源逆變的觸發(fā)脈沖非??煽浚还β收{(diào)節(jié)由斬波開關(guān)來(lái)完成。
本系統(tǒng)采用脈沖列觸發(fā)方式,6個(gè)觸發(fā)脈沖由8155A口送出,由外部電路調(diào)制成頻率為2kHz的脈沖列,經(jīng)功放后,分別送至6個(gè)可控硅的門極。 
       5  結(jié)論 
       在該系統(tǒng)中,作為循環(huán)水的供應(yīng)動(dòng)力的循環(huán)電動(dòng)泵,通過(guò)斬波內(nèi)饋裝置系統(tǒng)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)恒壓供熱,實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制,完全滿足生產(chǎn)工藝流程的要求,達(dá)到了節(jié)省電能的目的,這種調(diào)速方式較常規(guī)變頻調(diào)速方式有諸多優(yōu)點(diǎn)。
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作者簡(jiǎn)介:宋繼孚(1968一),男,工程碩士研究生,工程師,主
要從事熱電廠電氣及熱工自動(dòng)化工作。

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