汪定態(tài)

(山鋼股份萊鋼集團(tuán)公司設(shè)備檢修中心 山東萊蕪 271104)

熱處理爐助燃風(fēng)機(jī)變頻自動控制節(jié)能研究與應(yīng)用

汪定態(tài)

(山鋼股份萊鋼集團(tuán)公司設(shè)備檢修中心 山東萊蕪 271104)

本文主要對風(fēng)機(jī)變頻控制節(jié)能進(jìn)行分析，并通過修改PLC程序及優(yōu)化變頻器參數(shù)，利用較為先進(jìn)的模糊PID控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)助燃風(fēng)機(jī)壓力和流量自動控制。

熱處理爐，助燃風(fēng)機(jī)，模糊PID

三相異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能，顯著的節(jié)電效果，成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個發(fā)展方向。風(fēng)機(jī)通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象的方法，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。隨著當(dāng)今社會市場競爭不斷加劇，采用變頻調(diào)速技術(shù)對風(fēng)機(jī)類負(fù)載進(jìn)行改造，已成為必然趨勢。

萊鋼熱處理線2#輥底式熱處理爐助燃風(fēng)機(jī)采用的是離心式風(fēng)機(jī)，原設(shè)計通過手動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率與自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口百葉閥門開啟度相結(jié)合的方式來控制風(fēng)機(jī)出口氣體的流量和壓力。雖控制手段簡單，但精度不高，而且部分電能損耗在百葉閥門上，變頻器應(yīng)用不合理，造成能源浪費(fèi)。

1 風(fēng)機(jī)工作原理與變頻節(jié)能分析

1.1工作原理

風(fēng)機(jī)內(nèi)空氣的壓縮過程通常是經(jīng)過幾個旋轉(zhuǎn)葉輪在離心力的作用下實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，風(fēng)機(jī)的葉輪隨著轉(zhuǎn)動，葉輪在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力將空氣從葉輪中甩出，空氣從葉輪中甩出后匯集在機(jī)殼中，由于速度慢，壓力高，空氣便從通風(fēng)機(jī)出口排出流入管道。當(dāng)葉輪中的空氣被排出后，就形成了負(fù)壓，吸氣口外面的空氣在大氣壓作用下又被壓入葉輪中。因此，葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，空氣也就在風(fēng)機(jī)的作用下，在管道中不斷流動。理論上，離心風(fēng)機(jī)的壓力-流量特性曲線是一條直線，但由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部存在摩擦、阻力等損失，實(shí)際的壓力與流量特性曲線隨流量的增大而平緩下降，對應(yīng)的離心風(fēng)機(jī)的功率-流量曲線隨流量的增大而上升[1]。當(dāng)風(fēng)機(jī)以恒速運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)將沿壓力-流量特性曲線移動。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的工況點(diǎn)，不僅取決于本身的性能，而且取決于系統(tǒng)的特性，當(dāng)管網(wǎng)阻力增大時，管路性能曲線將變陡。風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的基本原理就是通過改變風(fēng)機(jī)本身的性能曲線或外部管網(wǎng)特性曲線，以得到所需工況。[1]

1.2 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能分析[1]

從流體力學(xué)原理得知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速及電機(jī)功率相關(guān)。當(dāng)風(fēng)量減少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，其電動機(jī)輸入功率迅速降低。例如風(fēng)量下降到80%時，轉(zhuǎn)速也下降到80%，其軸功率則下降到額定功率的51%；若風(fēng)量下降到50%時，軸功率將下降到額定功率20%。采用變頻調(diào)速，改變風(fēng)機(jī)電動機(jī)的輸入頻率從而改變電動機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)空氣流量的目的，既滿足生產(chǎn)工藝變化的要求，又節(jié)省電能，是一舉多得的最佳措施。圖1可說明其節(jié)電原理。

圖1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線圖

圖1中，曲線(1)為風(fēng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速n1下的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性曲線；曲線(2)為管網(wǎng)風(fēng)阻特性曲線(風(fēng)門全開)；曲線(4)為變頻運(yùn)行特性曲線(入口閥門全開)。

假設(shè)風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)效率最高，此時風(fēng)壓為H2，風(fēng)量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，在圖中可用面積AH2OQ1表示。如果生產(chǎn)工藝要求，風(fēng)量需要從Q1減至Q2，這時用通過調(diào)節(jié)入口閥門的方法相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到曲線(3)，系統(tǒng)由原來的工況點(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運(yùn)行。從圖中看出，風(fēng)壓反而增加，軸功率與面積BH1OQ2成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調(diào)速控制方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，畫出在轉(zhuǎn)速n2風(fēng)量(Q-H)特性曲線(4)?？梢娫跐M足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH3OQ2表示。節(jié)省的功率△N=(H1-H3)×Q2，用面積BH1H3C表示。顯然，節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效果是十分明顯的。

2 助燃風(fēng)機(jī)變頻自動控制實(shí)現(xiàn)

2.1 存在問題

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，操作人員手動輸入一固定風(fēng)機(jī)頻率經(jīng)驗(yàn)值，在保持電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的情況下，通過自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口百葉閥及主風(fēng)管放散閥開口度，來調(diào)節(jié)空氣的流量和壓力。現(xiàn)場實(shí)際控制存在以下問題：

(1)操作人員手動輸入風(fēng)機(jī)頻率經(jīng)驗(yàn)值偏差大，壓力、流量調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)精度差；

(2)入口百葉閥電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)因頻繁調(diào)節(jié)，易發(fā)熱，使其壽命大大降低；

(3)百葉閥閥片易變形，調(diào)節(jié)精度差，造成供風(fēng)壓力不穩(wěn)，風(fēng)機(jī)喘震，嚴(yán)重時會造成停爐事故。

(4)變頻器長期運(yùn)行在同一頻率下，未能充分發(fā)揮變頻節(jié)能作用，節(jié)能效果差。

2.2 自動控制方案

根據(jù)熱處理爐工藝要求，筆者對助燃風(fēng)機(jī)的工作原理和工作特性進(jìn)行了深入分析和研究，并通過研究熱處理爐PLC控制程序，確認(rèn)將2#熱處理爐助燃風(fēng)機(jī)手動控制改為變頻自動控制這一方案。解決方案如下：

(1)根據(jù)現(xiàn)場壓力、流量反饋信號，修改自動化PLC程序，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)由手動轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣涌刂颇Ｊ降墓δ?見圖2)。

圖2 變頻自動控制原理圖

(2)通過研究熱處理爐助燃風(fēng)機(jī)PLC程序，采用中斷的方式來執(zhí)行模糊PID控制算法，利用STEP 7實(shí)現(xiàn)智能算法選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)，通過改變PLC中PID模塊中的PID參數(shù)，優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)速控制給定值(見圖3)。

圖3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

(3)優(yōu)化變頻器加減速時間、過載能力等參數(shù)，改善變頻器動態(tài)響應(yīng)，提高電機(jī)響應(yīng)速度。

經(jīng)過多次測試和參數(shù)整定，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)由手動轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣涌刂颇Ｊ降墓δ?，達(dá)到了助燃風(fēng)機(jī)氣體流量與壓力自動調(diào)節(jié)的目的。

3 節(jié)能效果

項(xiàng)目改造完成后，實(shí)現(xiàn)了熱處理爐助燃風(fēng)機(jī)自動控制，不僅助燃空氣壓力、流量調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)精度高，而且提高了入口百葉閥電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命，確保了熱處理爐的穩(wěn)定運(yùn)行。通過改造前后兩個月的運(yùn)行比較，節(jié)電率達(dá)到13%左右，節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效果顯著，詳見表1。

表1 助燃風(fēng)機(jī)運(yùn)行電耗記錄

此改造項(xiàng)目自實(shí)施后，年節(jié)約備件約10萬元；按一年330個工作日計算，年可節(jié)約成本：144100×0.8(元)+10萬元=21.5萬元。

4 結(jié)束語

通過熱處理爐助燃風(fēng)機(jī)變頻自動控制節(jié)能改造，提高了風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓動態(tài)響應(yīng)速度及空氣流量控制精度，降低了操作人員的勞動量，提高了變頻設(shè)備的利用率。自改造以來，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定推廣意義。

[1]邸春哲.LG變頻器在熱水鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 控制工程，2007,14(21):27.

(責(zé)任編輯寧梵西)

2014-04-27

汪定態(tài)(1970-)，男，安徽銅陵人，工程師，主要從事電氣自動化控制及儀表維護(hù)工作。

TP 273

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1674-9545(2014)02-0044-(03)