西门子6ES7221-1BH22-0XA8详细使用

西门子6ES7221-1BH22-0XA8详细使用

一、简介：
在过程控制系统中，经常需要对一些物理量进行控制，如给水泵、循环泵、鼓风机、引风机、
炉排等。以前由于电机的转速无法方便调节，为了达到对上述物理量的控制，人们只好采用一
些简单的方法，如用挡板来调节风量，用阀门来调节压力等等，致使这些系统不仅达不到很好
的调节效果，而且大量的电能被挡板和阀门白白浪费。据有关部门统计，我国目前使用的风机、
水泵大约有３０％能量是无谓消耗。因此，国家经贸委于１９９４年下发了７６３号文件《关
于加强风机、水泵节能改造的意见》，鼓励支持变频节能技术在各行各业推广使用。另外，根据
交流电机的负载特性，要实现连续平滑的速度调节，较佳的方法是采用变频调速装置，变频器
是将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电，供给电机并能对电机转速进行调节的装置。
采用变频装置进行风机、水泵的控制不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且较
大提高了控制和调节的精度。
根据流体学原理可知，各种风机、水泵类负载是平方转矩负载，故应用变频调速装置后节能
效果非常显著。下面是风机、水泵类负载应用变频装置后，在不同流量Ｑ、转速ｎ下节能率Ｎ。
由于传统的控制方法是用挡板或阀门来调节流量，因此，在配置电动机的时候，就不可避免
地产生裕度。一般选２０％～３０％的流量裕度。
按相关规定，每小时蒸发量大于6 吨的锅炉都应连续均匀向锅炉供水。在锅炉运行中水位规
定应保持在正常水位，并允许在正常水位各25mm 以内波动。水位波动越小对锅炉运行越稳定、
安全，供汽质量越好。同时对蒸汽锅炉自动给水系统质量提出了更高要求。
1、控制不好出现水位危及锅炉安全运行。
因为水位过高，会出现蒸汽带水，甚至发生满水事故；水位过低，又会造成锅炉爆炸事故，
危及人身安全和设备损失。锅炉运行时，水位的变化主要是由于锅炉负荷变化引起的。当用蒸
汽多时，水位下降就多；用汽少时，水位下降就少。因负荷突然变化造成水位，即当负荷增
加过程，水位很快跟着上升，然后又很快下降；当负荷降低过程，水位又很快下降，然后又很
快上升的现象。这是因为负荷突然增加，汽压会突然下降，但是炉水温度必然是锅炉蒸汽压力
下的饱和温度，所以跟着汽压下降，炉水温度就要从原来压力下的饱和温度下降到新温度下的
饱和温度，这就要放出大量热量，这些热量用来蒸发炉水，所以水位就会突然升高。但当汽泡
上升逸出水面后，炉水内汽泡减少，汽水混合物容积又随着缩小，所以水位又很快下降。如果
此时我们不加大给水，那么由于蒸发量大于给水量，水位还要继续下降。
2、控制不好汽压不稳。
给水量增加，直接影响的水位上升，但是汽压下降更灵敏。这是因为给水温度低于炉水温
度，当给水量增加，在炉内就要多吸收热量，因此用来蒸发炉水的热量要减少，汽压显然要下
降。同样道理，给水量减少，水位下降，汽压要上升。
3、控制不好汽温不稳。
给水量增加，汽温要下降，这是因为给水量增加时，汽压下降，炉水温度下降，水冷壁在炉
流量Ｑ（％） １００ ９０ ８０ ７０ ６０ ５０ ４０
转速ｎ（％） １００ ９０ ８０ ７０ ６０ ５０ ４０
频率（Ｈｚ） ５０ ４５ ４０ ３５ ３０ ２５ ２０
功率Ｐ（％） １００ ７３ ５１ ３４ ２２ １３ ６.５
节能率Ｎ（％） ０ ２７ ４９ ６６ ７８ ８７ ９３.５
膛吸收的辐射热量要增加，使炉膛出口烟汽温度下降，导致汽温下降。同样道理，给水量减少
时，汽温要上升。
我公司自行开发研制的DJF-ZSS-XXX 系列全自动蒸汽锅炉变频上水装置是吸收国外的先进
变频调速技术，针对国内的中小型蒸汽锅炉上水系统而设计的新一代蒸汽锅炉自动上水装置。
它采用具有目前国际水平的交流变频调速技术，对水泵电机进行自动调速，从而达到自动
上水的目的。例如当蒸汽锅炉水位过高时，减小变频器输出频率从而降低水泵转速，当蒸汽锅
炉水位过低时将变频器输出频率升高，从而加快水泵的转速。整个过程自动进行，保证蒸汽锅
炉水位基本不变。
DJF-ZSS-XXX 系列全自动蒸汽锅炉变频上水装置不仅具有自动变频上水功能和自动工频上
水功能而且具有强制手动上水功能。
二、主要技术指标：
输入电源电压：AC380V/50HZ
工作额定容量：
工作额定电流：
水泵适配电机：
蒸汽锅炉水位输入信号：4-20mA
三、产品性能与特点：
1、DJF-ZSS-XXX 系列全自动蒸汽锅炉变频上水装置是中小型蒸汽锅炉的全自动上水装置。
2、本装置具有全自动（变频或工频）和强制手动功能。
3、本装置保护功能齐全：具有20多种保护功能，对过压、欠压、过流、过载、均能通过计算机
高速计算并给予保护，且能对发生故障的原因给予纪录。
4、具有丰富的显示功能：电压、电流、水位、设备状态、报警指示等。
5、具有完善的人机界面：操作人员通过按键输入给定水位（*保存）。
6、本产品不仅自动上水，且节电效果非常显著，通常节电率可达30%以上。
7、减轻操作人员的劳动强度：全自动控制,*专人值班。
8、本装置具有软起动功能：降低机械磨损和降低设备的维护费用。
四、工作原理简介：
DJF-ZSS-XXX系列全自动蒸汽锅炉变频上水装置具有两种自动上水功能和手动强制上水功
能。
1、变频自动上水功能：
通过蒸汽锅炉的水位信号与操作人员设定的给定水位的差值，并装置内部PID运算以后改变
变频器输出频率从而改变水泵的转速，达到蒸汽锅炉上水的目的。
2、工频自动上水功能：
通过蒸汽锅炉的水位信号与操作人员设定的上、下限水位比较，并装置内部斯密特运算以后
起停锅炉上水水泵，达到蒸汽锅炉上水的目的。
3、手动强制上水功能：
在工频自动状态下的停止状态下操作人员通过装置上的工频控制器上的强制手动键或手动状
态下工频起动按钮和工频停止按钮控制锅炉上水泵的起停。
五、操作面板图：
本装置具有变频故障指示灯、工频运行指示灯、变频运行指示灯、电压表、电流表、水位显
示等补助功能。
变频运行工频运行故障指示
变频运行变频停止变频/工频工频起动工频停止
电压指示电流指示
DJF-ZSS-XXX
变频控制工频控制
六、操作：
1、必须正确接线以后通电。
2、操作人员通过变频自动-
手动-
工频自动转换开关选择本装置的运行状态。
变频自动运行状态指本装置通过蒸汽锅炉的水位信号与操作人员设定的给定水位的差
值，并装置内部PID运算以后改变变频器输出频率从而改变水泵的转速，达到蒸汽锅炉上水的目
的。操作人员通过变频起动按钮和变频停止按钮控制上水泵的状态。
手动运行状态指强制手动运行上水泵。操作人员通过工频起动按钮和工频停止按钮强
行控制上水泵的状态。
工频自动运行状态指本装置通过蒸汽锅炉的水位信号与操作人员设定的上、下限水位比
较，并装置内部斯密特运算以后起停锅炉上水水泵，达到蒸汽锅炉上水的目的。操作人员通过
工频控制器上的运行/
停止键控制上水泵的状态。
3、变频器的设定参数通过面板上的控制盘设定参数，设定参数*保存。
4、工频控制器的上限和下限设定参数通过面板上的有关键设定，设定参数*保存。
七、完善的技术和售后服务：
我公司可以根据用户的实际需要，成套供应变频恒压供水系统，并现场调试及售后服务。
八、注意事项：
强烈要求操作人员：！！！
当水泵运行的时候不能直接操作变频自动-
手动-
工频自动转换开关，否则引起设备的损害。
九、用户参数：
水泵电机额定
电压(V)
水泵电机额定
功率(Kw)
水泵电机额定
电流(A)
水泵电机额定
转速（转/分）
蒸汽锅炉的
水位范围(mm)
用户特殊

一、 问题的提出
     大庆油田南一油库主要接收油田两大主力采油厂－采油一厂、采油二厂来油，总储量50×104m3，装备有5台输油泵机组。输油泵机组的主要技术参数见表1。
表1：南一油库输油泵机组技术参数
  

由于输油泵和输油管道的特性不匹配（在泵选型过程，不可能选择到完全与管路特性匹配的输油泵），在不同的实际运行工况下，需通过调节输油泵出口阀门来调节流量，据统计5台输油泵在单泵、双泵、三泵并联运行，三种不同运行状况下，输油泵阀门出口较大开度不**过10%（**过10%开度时易造成输油泵电机**过额定电流而导致电机**负荷运行）。这种运行工况造成在输油泵出口阀门的前后存在着较大的泵管压差，由于泵出口阀门的节流造成了大量的能源损失，输油泵做了大量的无用功，缩短了输油泵机组的维护周期和使用寿命。不同运行工况下输油泵出口阀门前后泵管压差统计情况如表2所示。
表2：不同运行工况下输油泵出口前后泵、管压差统计

注：上表中数据以南一油库2002年实际运行工况数据统计，表中数据为平均值。
    由表2可见，南一油库输油泵在单泵、双泵并联、三泵并联几种匹配运行模式下，泵出口阀前后约平均有1.2Mpa、0.7Mpa、0.4Mpa的节流损失。在泵出口阀门前后，三种工况下（单泵、双泵并联、三泵并联）由于泵出口阀节流而产生的节流损失为：
N损i=0.278P损iQi
式中： N损i：不同工况下的阀门节流损失功率，kW
P损i：不同工况下的阀门节流损失压力，Mpa
Qi：不同工况下单泵的排量，m3/h
N损1=0.278×1.2×750=250kW    250kW/630kW=39.7%
N损2=0.278×0.7×700=136kW    36kW/630kW×**=21.6%
N损3=0.278×0.4×640=71KW     71KW/630KW×**=11.3%
    由上面计算可知，单泵、双泵并联、三泵并联三种工况下，由于输油泵出口阀门的节流损失占其额定功率的39.7%、21.6%、11.3%。
    可见，能源的浪费是十分惊人的。因此，有必要在输油泵机组上应用变频调速技术，以达到依据不同的运行工况，通过变频运行来满足运行工况要求。使用变频调速技术后，泵出口阀全开，就可以避免原运行方式造成的节流损失。
二、 输油泵机组变频调速节能技术原理
     根据离心泵的特性，其工况的调节主要是调节流量，而离心泵调节流量较常用的两种方法一是通过调节泵出口阀的开度进行调节，另一种则是通过改变离心泵的转速进行调节，前者虽然调节方便，但造成能源浪费巨大；通过对输油泵电机的变频改变电机的转速，来实现输油泵的工况调节，是满足工艺运行条件下的一条可行的技术途径。
由离心泵的特性可知，在管路特性曲线不变的情况，改变离心泵转速后，其性能参数的改变由下式确定
Q∝N，H∝N2,P∝N3
    由以上离心泵转速改变前后的关系式方知，如果离心泵转速有很小的降低，则离心泵所需的输入功率会大幅度地降低，从而产生明显的节能效果。   

A即为额定工况点，C点为调节阀门时的运行点。在变频状态下，离心泵转速为N2时，工况点变为B点，即为新的工况点，此时Q不变，即保持离心泵排量不变，但泵的扬程由H3减少为H2，因此在保证满足输油量的情况下，通过削减离心泵扬程节约的能量为ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。这就是离心输油泵变频节能的原理。
三、 高压变频调速系统的选择
     目前，6kV高压变频调速系统处于技术发展阶段，其基本原理均为通过“交一直一交”的逆变过程，通过改变电机定子的电压频率从而改变电机的转速。高压电机调速的方式从技术实现途径上又可分为“高一低一高”、“高一高”、“IGBT直接串联”等几种方式。其中“高一低一高”方案中需多一级升压变压器，设备结构庞大，系统效率相对较低，属于落后淘汰技术。“高一高“方式直接采用6kV电压输入，6kV输出无须升压变压器，系统效率相对较高，目前该形式变频调速系统应用较多。“IGBT直接串联”型变频器采用1700V高压IGBT器件，具有器件数量少，占地空间小等优点，但由于IGBT器件直接串联从技术性能等方面尚不成熟，在技术上带有一定的风险性。通过充分调研国内外各种6kV变频调速系统的应用情况和进行各种变频调速系统的技术经济性论证，较终选用北京利德华福公司生产的HARSVERT-A06/076型高压变频调速系统应用于南一油库2#输油泵机组上。该变频调速系统的主要技术参数为：
Ø 逆变主回路方式：单元串联多电平
Ø 额定容量：790kVA
Ø 额定输出电流：76A
Ø 额定输出电压：6kV
Ø 输入频率：45 Hz －50Hz
Ø 输出频率范围：0.1 Hz～50 Hz
Ø 输出频率分辨率：0.01HZ
Ø 输入端功率因数：大于20%额定负载时>0.95
Ø 变频系统效率：>96%
Ø 过载保护：120%一分钟，150%三秒，200%立即保护。
Ø 加减速时间：0.1—3000s可调
Ø 谐波控制：输入电流<4%，输出电压4%，输出电流2%
Ø 模拟量输入信号：0－10V/4－20mA任意设定
Ø 模拟量输出信号：两路0－10V/4－20mA可选
Ø 外部通讯接口：RS485
Ø 外壳防护等级：≥IP20
Ø 冷却方式：风冷；
Ø 运行环境温度：0～40℃
四、 技术方案
    高压变频调速系统应用输油泵机组固然可产生较好的节能效益，但由于输油系统属于油库生产中的一个重要枢纽环节，长时间连续运转，除对设备本身要求有较高的可靠性之外，在技术方案上必须与现场的工艺特点相结合，充分考虑现场操作，启动、停机，以及调节等诸方面的安全性，适用性和方便性。本系统在应用中采用了以下技术措施。
① 系统具备工频、变频手动切换功能。一旦变频系统出现种故障，可以手动切换到工频档，将变频系统甩开，在变频系统维修期间可正常**输油泵的运行，满足油库生产的需要。
② 系统的运转频率的调节采用开环手动调节方式。考虑到输油系统要求安全平稳运行的特点，本系统不宜采用闭环调节控制。因为受整个输油系统管网波动的影响，如采用闭环控制，很容易造成系统的自动停机，或者引起整个输油系统的扰动，给输油生产的调度指挥带来不利的影响。而采用开环人工控制，通过一定运行时间的技术摸索，在不同工况下，人为地设定和调整变频系统的参数，即可减少部分初期投资，又可**输油系统的安全平稳运行。
③ 现场设置、启动、停止以及紧急停机按钮，控制室内设上位机对运行参数进行实时显示，较大地方便了现场操作人员的操作和对设备运行状态的监视。
④ 优化系统的保护参数，确保输油系统的连续平稳运行。在应用于输油系统时必须慎重选择，并对一些保护的参数按实际需要进行设置。避免由于变频系统的保护过于灵敏而造成输油泵停机，影响输油系统的安全平稳运行。
⑤ 在变频调速系统内设置适合于现场实际的报警功能，并对运行的参数，操作情况，故障情况具有详细的记录功能。
五、 应用效果
   南一油库2#输油泵机组变频调速系统于2003年4月18号正式投运成功，经过两个月的试运行，取得了明显的节能效果，对于在单泵运行，双泵并联运行、三泵并联运行等不同的工况下，对比数据分别见表3、表4、表5所示。

由表3、表4、表5的统计数据可知，在不同的运行工况下，由于2#输油泵变频调速运行，可以产生明显的节电效益，2#泵单泵运行时与原来同种工况下相比节电率达48.6%，2#与1#泵匹配运行时节电率达41.7%，2#与1#、3#三泵匹配并联运行时节电率达38.8%。据历年运行数据统计，南一油库单泵运行时间占总运行时间的30%，双泵运行时间占总运行时间的55%，三泵并联运行占总运行时间的15%左右，据此可计算若2#输油泵机组在全年运行状况下，与未实施变频调速前相比，综合节电率为43.3%，若按每年运行350天计算，年可节电约216.7×104kWh，按6kV工业电价0.465元/kWh计，年可产生节电效益100万元，一年可基本回收设备投资。
   此外，由于采用变频系统对输油泵机组进行软启软停，减少了启动过程中的冲击，延长了输油泵的保养维护周期，由于变频后与原来相比在较低转速下运行，泵轴、轴承的磨损程度减少，以轴承为例，变频前2#泵正常转时轴承温度达85℃～90℃,而变频运行时轴承温度仅为60℃～65℃，这将大大延长输油泵的轴承，机械密封等易损件的寿命，同时运行时噪音降低，因此，除取得显著直接经济效益外，还具有较好的间接经济效益。
六、 结束语
     输油泵机组高压变频调速节能技术是实现输油系统节能的有效技术途径，它将阀门节流工况调节方式改为输油离心泵的转速改变来调节工况的方式，具有调节方便的特点，泵出口阀全开，有效地避免了输油泵出口阀的节流损失，产生巨大的经济效益。同时还减少了输油泵机组的机械冲击，降低了运行中的磨损和噪音，延长了输油泵机组的维护保养周期、增加整个机组的使用寿命等方面的间接经济效益。但由于高压变频调速系统目前处于技术发展阶段，且初期投资高，因此必须选用可靠性高，性能价格比好，已有广泛应用基础的高压变频装置。应用于输油系统，应用过程中必须紧密的与现场工艺状况结合，选择适当的调速控制方式，才能在取得明显节能效益的基础上，保证输油系统的安全平稳运行。