热水锅炉自动补水系统

兰国志

摘 要：近年来，锅炉数量大大增加，尤其是在我国的北方地区，热水锅炉更是受到了普遍欢迎。文章论述了热水锅炉定压补水的几种方式，各定压补水方式的优缺点及适用性，并介绍了在定压补水自动控制系统中常用的几种电气实现方案。

关键词：补水定压；闭环控制；PID；PLC；DCS

1 定压方式

1.1 膨胀水箱定压

如图1所示。此种定压方式是在热水锅炉系统的最高点安装开口式膨胀水箱，当锅炉系统压力升高时，系统内水会自动进入膨胀水箱以减小系统压力；当锅炉系统压力降低时，膨胀水箱内的水会自动进入供暖系统以增大系统压力。在水箱内设置电接点式水位传感器控制补水泵启停。

图1 膨胀水箱定压方式

1、膨胀水箱；2、电接点液位计；3、补水箱；4、循环水泵；5、补水泵

采用膨胀水箱的定压补水方式具有初次投资省、运行费用低等优点；但是开式水箱与大气联通，会引起管道系统的氧化腐蚀，另外水箱需安装在锅炉的顶层，维护与管理不方便，因此这种补水定压方式仅适用于小型热水锅炉[1]。

1.2 补水泵定压

如图2所示，此种定压方式是由电接点压力表进行控制的，当锅炉水温降低、系統压力减小时，电接点压力表发出压力低信号，从而控制补水泵启动补水；当系统压力正常后，补水泵停止补水；当锅炉水温升高、系统压力增大时，电接点压力表发出压力高信号，控制电磁阀排水；当系统压力正常后，电磁阀停止泄水。

图2补水泵定压方式

1、电接点压力表；2、排水电动阀；3、水箱；4、补水泵；5、循环水泵

补水泵定压补水的方式改变了使用膨胀水箱补水时易腐蚀、维护不方便等缺点，且运行稳定。但此种定压补水方式只适用于小型热水锅炉。

1.3 变频控制补水泵定压

此种定压方式与图2相似，“元件1”不能使用电接点压力表，应使用压力信号连续变化的压力变送器，补水泵的启停及转速由变频器控制。这一补水定压方式是采用变频调速技术对补水泵进行闭环控制。

首先，电源经过变频器变频后进入电机，变频器输出的频率由小到大平稳增加，即对电机实行软启动，系统压力信号通过变送器送入微机进行处理，通过对压力信号及变频反馈信号的调整，以控制变频器输出整定频率。根据热水锅炉系统的要求，系统压力取样点压力为P，压力变化范围为△p，当系统压力低于p-1/2△p时，使上位机控制变频器提高频率；当系统压力高于p+1/2△p时，使上位机控制变频器降低频率，以降低水泵电机转速，减少补水量和压力。频率与转速的关系为：n=60f（1-Sn）/P，式中n为水泵电机转速（异步电机）；F为电源频率；Sn为电机额定转数，即电机定子旋转磁场转速之差，一般为5%左右；P为电机的极对数。由上式可看出，当P、Sn一定时，水泵转速与输入电源的频率成正比。

此种变频控制补水泵的定压方式一次性投资大，但其具有启动、停止平稳、延长水泵使用寿命、能耗低、自动化程度高等优点。

2 电气控制方案

2.1 补水泵启停自动控制

控制原理如下图所示：

图3 补水泵启动控制电路图

使用电接点压力表设定补水下限压力及上限压力，正常运行时将转换开关拨至自动，当系统压力低时，压力表发出压力低信号，中间继电器K2吸合，接触器KM1吸合，补水泵补水加压；加压至正常压力后，压力表发出压力高信号，中间继电器K1吸合并且中间继电器K2断开，中间继电器K1常闭触点断开，接触器KM1断开，补水泵停止运转。

系统设有运行及停止指示灯，并有手自动切换开关，当系统调试或压力信号故障时，可使用手动补水。

2.2 定压排水自动控制

定压排水控制电路与上图相同，只是主电路不同，将接触器KM1常开主触点与排水电磁阀线圈连接构成主电路即可。

控制过程与定压补水相似，当系统温度持续升高导致压力过高时，中间继电器K2吸合，接触器KM1吸合，电磁阀打开，系统排水降压；当压力降低至排水压力上限时，中间继电器K1吸合，接触器KM1断开，电磁阀关闭，系统停止排水。

2.3 PID控制补水泵频率

PID调节的变频调速恒压供暖补水系统，是通过调节补水泵变频器的频率，从而调节补水泵的输出流量，使系统压力保持不变，以实现恒压补水[2]。

首先将压力信号通过压力传感器转换为4～20ma电流信号，送入PID控制器，再与给定信号进行比较，经过P（比例）、I（积分）、D（微分）运算，同样输出4～20ma电流信号，送到变频器的频率给定端子，控制变频器输出给定频率，即改变了补水泵转速，调节了补水量，使管网压力保持恒定。同时，PID控制器还输出一个高压力开关信号和低压开关信号，送入PLC、DCS或上位机等，可作为另一台工频泵自动启动或停机的条件之一。上位机除了接受PID输出的高低压开关信号，还要接受变频器输出的高、低频率检测信号；变频器停止信号；及方式转换开关输入信号和启动、停止信号，按照设定的程序，可控制两台或多台泵配合工作。

PID参数调节是最为关键的一步，要在管网有压力的情况下调整PID参数。因为D（微分）控制对输入信号的变化速度极其敏感，致使其抗干扰能力较差，调节不好反而容易造成振荡，而补水只要求压力稳定，对快速性要求不高，所以把D值设为0，只采用PI调节即可。由于管网容量大，管路长，跑冒滴漏现象时有发生，会造成压力不断变化，而且每改变一次参数，都要等一段时间才能看到结果，所以要有耐心，并且要经过反复试验，最终确定P值和I值。

PID控制的热水锅炉自动补水系统主要特点是：自动化程度较高、节能、灵活可靠，软起、软停可以减少对管网的冲击，使补水泵及管网其他设备寿命大为提高。

3 结束语

随着经济和社会的发展，小型供热站及大中型集中供热系统日益增多，锅炉的定压补水系统尤为重要，要根据供热站的规模和实际情况选择一种最适用的自动补水系统，以达到运行安全、平稳、节能的目的。

参考文献

[1]张弈宜.甘肃科技[J].热水供暖系统补水定压方式浅议，第20卷 第7期 2004年7月.

[2]张燕宾.变频调速应用实践[J].北京：机械工业出版社，2011，128-129.