任學(xué)標(biāo)

(中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司長(zhǎng)絲加彈中心，江蘇儀征 211900)

一般來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)的空氣溫度、濕度、流動(dòng)速度、含塵濃度與新鮮度必須滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝和人體舒適的要求，不可因室外空氣參數(shù)和室內(nèi)各種因素的變化而變化。而儀化長(zhǎng)絲加彈中心前紡POY/FDY裝置原有空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)用的是閥門(mén)、閥板控制，既不經(jīng)濟(jì)，能耗也大，加上設(shè)備陳舊老化，必須進(jìn)行改造。改造方案提出多種，最終采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，通過(guò)改變輸入到交流電機(jī)的電源頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，從而改變風(fēng)機(jī)出風(fēng)量。

1 存在問(wèn)題

原空氣處理系統(tǒng)采用一臺(tái)西門(mén)子45 kW三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)方式為星－三角啟動(dòng)，能耗大，啟動(dòng)電流是正常工作電流的3～6倍，風(fēng)壓采用閥板、閥門(mén)控制，這種調(diào)節(jié)方式既不方便，又浪費(fèi)大量的電能，很容易造成閥門(mén)及風(fēng)機(jī)的損壞，出現(xiàn)異常情況不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理。

2 改造過(guò)程

2.1 變頻改造技術(shù)方案

由HONEYWELL DCS對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行閉環(huán)控制。由現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的壓力傳感器測(cè)量風(fēng)壓，經(jīng)信號(hào)分配器，一路送至DCS，一路送至現(xiàn)場(chǎng)控制柜上壓力顯示儀表。DCS輸出4～20 mA轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)至現(xiàn)場(chǎng)(目前已至現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有控制柜中)。變頻器設(shè)定值具有“自動(dòng)－手動(dòng)”切換功能，“自動(dòng)”信號(hào)來(lái)自DCS，“手動(dòng)”信號(hào)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)控制柜上顯示儀表。變頻器啟動(dòng)、停止由新增控制柜上的啟動(dòng)、停止按鈕控制。變頻器啟動(dòng)后運(yùn)行正常時(shí)須給出“運(yùn)行”信號(hào)至DCS，發(fā)生“過(guò)載”或“接地”等故障時(shí)須給出“故障”信號(hào)至DCS和現(xiàn)場(chǎng)蜂鳴器。控制柜上由指示燈指示變頻器進(jìn)線(xiàn)電源分合閘狀態(tài)，控制柜采用下進(jìn)線(xiàn)方式，零地線(xiàn)分開(kāi)。控制柜由安裝在側(cè)面的冷卻機(jī)冷卻，控制柜顏色與現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有控制柜統(tǒng)一。所有現(xiàn)場(chǎng)送至DCS的信號(hào)均須進(jìn)行可靠隔離，不得有干擾信號(hào)進(jìn)入DCS影響DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 改造后達(dá)到的目的

對(duì)電機(jī)采用變頻調(diào)速自動(dòng)控制，改造后能夠較大幅度節(jié)能降耗，延長(zhǎng)軸承、過(guò)濾袋的使用壽命，而且風(fēng)壓控制穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈活，也為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。

2.3 技術(shù)要求

a)電機(jī)變頻控制分手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種，正常采用DCS自動(dòng)控制，便于中控室值班人員及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài);

b)2臺(tái)差壓變送器，量程0～10 kPa，4～20 mA信號(hào)輸出;

c)變頻改造后原來(lái)電氣柜中工藝風(fēng)機(jī)電機(jī)星－三角啟動(dòng)電路全部拆除;

d)變頻改造后原來(lái)電氣柜中送到DCS的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示和故障指示信號(hào)改為由變頻器給出，送到無(wú)紙記錄儀，原來(lái)電氣柜中的電機(jī)啟停命令信號(hào)送到變頻器;

e)變頻器參數(shù)設(shè)置合理，電機(jī)啟動(dòng)、停止、運(yùn)行過(guò)程中的溫升、振動(dòng)、電流無(wú)明顯異常;

f)采用專(zhuān)用儀表實(shí)現(xiàn)壓力PID調(diào)節(jié)，用無(wú)紙記錄儀記錄歷史數(shù)據(jù)，顯示趨勢(shì)。

2.4 變頻控制的基本工作原理

2.4.1 DCS 自動(dòng)控制

利用該廠前紡現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)，對(duì)管道風(fēng)壓實(shí)行單回路PID自動(dòng)控制?？刂苹芈酚蓧毫鞲衅鳌CS模擬輸入點(diǎn)、常規(guī)控制點(diǎn)、模擬輸出點(diǎn)、變頻器組成。由現(xiàn)場(chǎng)新增的壓力傳感器測(cè)量風(fēng)壓，將4～20 mA信號(hào)送入DCS，通過(guò)PID調(diào)節(jié)回路，再將4～20 mA信號(hào)送入變頻器頻率設(shè)定通道，變頻器按該設(shè)定值輸出，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)壓穩(wěn)定。DCS內(nèi)新建控制點(diǎn)，具有PID調(diào)節(jié)、歷史數(shù)據(jù)記錄、趨勢(shì)顯示等功能。如圖1所示。

圖1 POY/FDY裝置風(fēng)機(jī)變頻改造DCS控制原理示意

2.4.2 PID 手動(dòng)控制

為防止DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，設(shè)計(jì)時(shí)，增加1套PID手動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，變頻器接受PID調(diào)節(jié)器的信號(hào)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行速度控制，控制器綜合給定信號(hào)與反饋信號(hào)后，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，向變頻器輸出運(yùn)轉(zhuǎn)頻率指令。由變頻器輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電，在電動(dòng)機(jī)上得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速?？刂苹芈酚?臺(tái)壓力變送器、PID調(diào)節(jié)儀和變頻器組成。壓力傳感器安裝在離風(fēng)機(jī)10 m遠(yuǎn)處的風(fēng)道中測(cè)量風(fēng)壓，變換為4～20 mA信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)儀，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)儀的輸出控制信號(hào)(4～20 mA信號(hào))送入變頻器頻率設(shè)定通道，變頻器按該設(shè)定值，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)壓穩(wěn)定。另1臺(tái)壓力傳感器安裝離風(fēng)機(jī)大約100 m處的工作現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量工作現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)壓，變換為4～20 mA信號(hào)送入無(wú)紙記錄儀端子，記錄歷史數(shù)據(jù)和顯示趨勢(shì)及報(bào)警。見(jiàn)圖2所示。

圖2 POY/FDY裝置風(fēng)機(jī)變頻改造現(xiàn)場(chǎng)PID調(diào)節(jié)控制原理示意

2.5 變頻器的選型

現(xiàn)今變頻器品牌很多，考慮到該廠實(shí)際，選用富士FRN45F1S－4C511型變頻器作為工作變頻器，額定參數(shù)為:Ue=380 V，Ie=85 A，Pe=64 kVA，其理由是該型變頻器采用了動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。控制系統(tǒng)高速計(jì)算電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需功率、最佳控制電壓和電流矢量，最大限度地發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。按照動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制方式，能配合負(fù)載實(shí)現(xiàn)在最短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)地加減速。使用高速CPU能快速響應(yīng)急變負(fù)載和及時(shí)檢知再生功率，設(shè)有控制減速時(shí)間的再生回避功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)跳閘自動(dòng)減速過(guò)程。同時(shí)在同類(lèi)進(jìn)口變頻器中價(jià)格較低，且具有適合風(fēng)機(jī)的自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行特點(diǎn)。

3 改造后的特點(diǎn)和效果

3.1 節(jié)能效果

根據(jù)流體力學(xué)原理，風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載的流量Q與轉(zhuǎn)速N成正比，而所需功率P與轉(zhuǎn)速N的3次方成正比。因此當(dāng)風(fēng)量小于額定風(fēng)量時(shí)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，其功率明顯下降，具有顯著的節(jié)能效果。節(jié)能效果計(jì)算如下:

a)改造前風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況:

I實(shí)=54.875 A(24 小時(shí)平均值)，U實(shí)=380 V，COSφ實(shí)=0.78

P實(shí)=√3UICOSφ =1.732×54.875×380 ×0.78≈28.17 kW

b)改造前原風(fēng)機(jī)DCS控制室24 h記錄值(表1):

表1 改造前原風(fēng)機(jī)DCS控制室24 h記錄值

日期:2011年5月20日

電流平均值=∑I/24=1317/24=54.875 A

c)改造后原風(fēng)機(jī)DCS控制室24 h記錄值:

日期:2011年7月20日

電流平均值=∑I/24=995/24=41.458 A

表2 改造后原風(fēng)機(jī)DCS控制室24 h記錄值

d)在保持輸出功率不變的情況下電流由54.875 A 降為41.458 A，所節(jié)省電能為:

P節(jié)=√3U(I1－I2)COSφ=√3×380×(54.875 －41.458)×0.95≈8.4 kW

e)年節(jié)電量為:

W=8.4 kW ×24(每日)×365(一年)=73 584 kWh

f)全年節(jié)省費(fèi)用:

每度電按 0.6元計(jì)算，73 584×0.6=44 150.4元。

由此可見(jiàn)，節(jié)能效果非常明顯。

3.2 空氣調(diào)節(jié)效率

風(fēng)機(jī)的工作效率由下式計(jì)算:

式中Q為風(fēng)量，n為轉(zhuǎn)速，C1、C2為常數(shù)

通過(guò)風(fēng)門(mén)控風(fēng)量時(shí)，因轉(zhuǎn)速n不變，而流量Q下降，故效率ηp下降，而通過(guò)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)量時(shí)，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，比值(Q/n)不變，故效率ηp始終保持最佳狀況。

3.3 其它

操作簡(jiǎn)單方便，維護(hù)量小，風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性大為提高。由于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)速，可使電機(jī)連續(xù)平滑穩(wěn)定變速。

3.4 注意事項(xiàng)

運(yùn)行中需注意風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能過(guò)低，避免電機(jī)過(guò)熱;在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度時(shí)，應(yīng)避免與設(shè)備產(chǎn)生共振，防止高次諧波損耗、電磁波干擾，必要時(shí)加裝相應(yīng)容量濾波裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

采用交流變頻調(diào)速器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，不但操作簡(jiǎn)單方便、節(jié)約電能、降低生產(chǎn)成本，而且大大地改善了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行條件，減少了風(fēng)機(jī)、閥門(mén)等的維護(hù)量。該變頻改造項(xiàng)目已連續(xù)運(yùn)行兩年多，系統(tǒng)運(yùn)行可靠平穩(wěn)，通訊數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)，使設(shè)備管理規(guī)范化，提高了工作效率，需要在線(xiàn)改變的量通過(guò)DCS人機(jī)界面直接設(shè)定，簡(jiǎn)單直觀，便于操作。DCS遠(yuǎn)程自動(dòng)控制與現(xiàn)場(chǎng)PID手動(dòng)調(diào)節(jié)，相互補(bǔ)充結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制變頻和手動(dòng)即時(shí)變頻等功能，在實(shí)際使用中取得良好的效果，值得推廣到其他行業(yè)應(yīng)用。