蒙 政

（廣西海棠東亞糖業(yè)有限公司，廣西 崇左 532504）

0 前言

變頻裝置的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，鋼鐵、石油、煤炭等行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用了變頻技術(shù)，在很大程度上優(yōu)化了企業(yè)的生產(chǎn)工藝，其節(jié)約能源效果為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?，制糖企業(yè)在進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，將變頻技術(shù)應(yīng)用到鍋爐引風(fēng)機(jī)中，為企業(yè)完成新時(shí)代指標(biāo)提供了有力的技術(shù)支持。

1 變頻控制方式的研究

高壓變頻器的控制方式具體分為v/f 控制、有/無速度傳感器矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制以及dtc 直接轉(zhuǎn)矩控制。其中，v/f控制以電壓與頻率的變比繪制出“壓頻比系數(shù)”曲線，從曲線中找出有價(jià)值的參數(shù)，再通過變頻器計(jì)算基本運(yùn)行頻率值，輸出波形的占空來實(shí)現(xiàn)調(diào)整輸出電壓的目的；有速度傳感器矢量控制與無速度傳感器矢量控制均屬于異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)，二者就有不同的應(yīng)用優(yōu)勢，前者調(diào)速為1000 ∶1，對轉(zhuǎn)矩制精確度高，后者體積小、重量輕，不需要安裝速度傳感器就可以發(fā)揮控制效果；變頻器中轉(zhuǎn)矩控制方式的調(diào)速范圍與直流電動機(jī)的調(diào)速范圍相差不大，根據(jù)檢測到電動機(jī)定子的電流與電壓，再將計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩與定值進(jìn)行對比，通過差值來控制磁鏈與轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控訴的目的；dtc 直接轉(zhuǎn)矩控制目標(biāo)是控制轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而對磁鏈與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行綜合控制，van 用的分析方法有空間矢量、定子磁場定向，隨著電動機(jī)狀態(tài)、實(shí)際值與定值之間差值的變化，可以單獨(dú)決定電動機(jī)的開關(guān)狀態(tài)。在將變頻技術(shù)應(yīng)用到制糖企業(yè)鍋爐引風(fēng)機(jī)實(shí)際過程中，應(yīng)根據(jù)不同類型的電機(jī)負(fù)載來合理選擇調(diào)速方式，以此達(dá)到良好的節(jié)能減排效果。異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路如圖1 所示。其中，R1 為定子電阻；X11 為定子漏感抗；R2 為轉(zhuǎn)子電阻；X21 為轉(zhuǎn)子漏感抗；I0空載電流；Rm 為損耗電阻；Xm 為互感抗。為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的內(nèi)磁功率。

2 制糖企業(yè)鍋爐引風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻技術(shù)的節(jié)能方案

2.1 引風(fēng)機(jī)中變頻技術(shù)應(yīng)用原理

圖1 異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖

引風(fēng)機(jī)是蔗糖企業(yè)鍋爐引風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要作用是將燃料在鍋爐中燃燒后產(chǎn)生的熱空氣引出，爐膛內(nèi)便產(chǎn)生負(fù)壓，熱空氣經(jīng)過加熱器、除塵器、脫硫器、脫硝器等凈化設(shè)備，最終被排放到大氣中。此外，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的送風(fēng)機(jī)，負(fù)責(zé)將大氣中的新鮮空氣注入爐膛中，促進(jìn)燃料燃燒；一次風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)將鍋爐排除的部分熱煙氣抽回到爐膛中，使得注入新鮮冷空氣后的爐膛提高一定溫度，維持爐膛內(nèi)溫度平衡。引風(fēng)機(jī)利用變頻技術(shù)改造后，爐膛內(nèi)的負(fù)壓變送器會將壓力值以信號的形式輸送給PLC，經(jīng)過處理后再與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，PID 算法將產(chǎn)生的運(yùn)算信號定位引風(fēng)機(jī)的變頻頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制引風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，使得爐膛內(nèi)的負(fù)壓力始終保持在設(shè)定值附近。

2.2 引風(fēng)機(jī)變頻改造設(shè)計(jì)

2.2.1 引風(fēng)機(jī)變頻改造

制糖企業(yè)鍋爐引風(fēng)機(jī)的變頻改造，首先要考慮企業(yè)的整體運(yùn)行狀況，包括接線方式、設(shè)備保留或拆除、建筑結(jié)構(gòu)等，其次是考慮變頻-工頻的切換問題與后期設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)問題，最后進(jìn)行具體方案的設(shè)計(jì)。在利用變頻方式進(jìn)行改造的背景下，廠接一次高壓電源在斷路器的作用下，改變電源頻道；進(jìn)行廠接二次高壓電源改造時(shí)，更換引風(fēng)機(jī)對應(yīng)的開關(guān)柜。引風(fēng)機(jī)的高壓變頻器柜控制不同的線路回路，其中一個(gè)引風(fēng)機(jī)引自機(jī)房，一號、二號引風(fēng)機(jī)分別控制主廠房中的PC 與保安MCC、直流柜與交流柜[1]。

2.2.2 引風(fēng)機(jī)變頻室布置

經(jīng)過 改造后的高壓變頻器包括進(jìn)線柜、變壓器柜、旁路柜，一般情況下，體積較為龐大。進(jìn)行布置時(shí)，還要考慮后期人工維修與場內(nèi)設(shè)備的風(fēng)道，預(yù)留出一定寬度的通道。最佳方案為：變頻器放置在電機(jī)設(shè)備附近，確保周圍環(huán)境衛(wèi)生，盡量遠(yuǎn)離外界影響因素，附近不應(yīng)放置爆炸性、腐蝕性高的物品，保證變頻器正常運(yùn)作。

2.2.3 變頻器控制系統(tǒng)的選擇

變頻器控制系統(tǒng)采用的是全數(shù)字控制，主要利用光線對系統(tǒng)中的單元進(jìn)行控制，并與顯示主板間連接，各功率單元相互獨(dú)立，且每個(gè)功率模塊發(fā)出的信號都為PWM，PWM負(fù)責(zé)變頻系統(tǒng)中信息的反饋與傳輸。核心控制板與后臺監(jiān)控設(shè)備使用光纖進(jìn)行連接，各控制模塊的邏輯狀態(tài)、實(shí)時(shí)狀態(tài)、歷史狀態(tài)均在監(jiān)控后臺中查詢到，用于鍋爐引風(fēng)機(jī)的故障診斷。變頻控制系統(tǒng)會根據(jù)鍋爐引風(fēng)機(jī)的工藝配置進(jìn)行合理改造，主要將引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)歸入進(jìn)組DCS 中，部分板卡采用分散控制方式實(shí)現(xiàn)數(shù)量增加的目的，此分散控制系統(tǒng)與原機(jī)相同。工作人員在集控室中就可以對鍋爐引風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可以按照流程標(biāo)準(zhǔn)切換操作畫面。單臺引風(fēng)機(jī)變頻控制器需要上傳的信號類型與名稱見表1。

表1 單臺引風(fēng)機(jī)變頻控制器需要上傳的信號類型與名稱

2.3 引風(fēng)機(jī)變頻改造特點(diǎn)

2.3.1 提升鍋爐系統(tǒng)可靠性

鍋爐系統(tǒng)中變頻器在發(fā)生故障后，會同時(shí)切斷輸入與輸入線路，確保電機(jī)可以進(jìn)入其他工頻，保持系統(tǒng)能夠始終以不間斷的狀態(tài)進(jìn)行工作。為實(shí)現(xiàn)這一功能，變頻器主回路1 km、2 km 及工頻側(cè)的3QF 和10 kV 的開關(guān)進(jìn)行連鎖，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會立即發(fā)送警報(bào)給旁路柜，旁路柜會在接收到信號后跳開QF、1 km、2 km，同時(shí)通過繼電器延時(shí)2 s～5s 后關(guān)閉3QF，進(jìn)而閉合相應(yīng)設(shè)備，使得電機(jī)投入相應(yīng)工頻進(jìn)行工作，以此提升系統(tǒng)的可靠性，保證工作人員安全[2]。

2.3.2 調(diào)節(jié)鍋爐系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)

利用變頻技術(shù)改進(jìn)鍋爐引風(fēng)機(jī)領(lǐng)域的關(guān)鍵點(diǎn)就是能夠優(yōu)化整個(gè)鍋爐系統(tǒng)。鍋爐系統(tǒng)經(jīng)過變頻技術(shù)改造后，將煙氣傳感器配置到爐膛中，負(fù)責(zé)測量爐膛中的煙氣含量，進(jìn)而判斷燃料燃燒的狀況。煙氣傳感器會將感應(yīng)到的煙氣轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA 的電信號，電信號通過光纖傳送到DCS 主機(jī)中，主機(jī)利用一系列算法對4 mA～20 mA 的電信號進(jìn)行計(jì)算，并輸送給鼓風(fēng)機(jī)，以達(dá)到調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)爐膛內(nèi)氧含量增加時(shí)，也就是新鮮空氣被注入了爐膛中，鼓風(fēng)機(jī)會降低轉(zhuǎn)速，氧含量降低時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)就會提高轉(zhuǎn)速，加快新鮮空氣的注入，確保燃料燃燒效果。

2.3.3 在饋電方面的突破

鍋爐引風(fēng)機(jī)是制糖企業(yè)耗電量較大的設(shè)備之一，引風(fēng)機(jī)的工作性質(zhì)是當(dāng)啟動后會在瞬間提速，關(guān)閉后又會因?yàn)閼T性而繼續(xù)運(yùn)作一定時(shí)間再停車。在這種情況下，電動機(jī)相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，能夠利用設(shè)備慣性產(chǎn)生一定量的電能，如果將這種思維與變頻技術(shù)相結(jié)合，利用變頻的逆電源把由于慣性產(chǎn)生的電能反饋給電網(wǎng)，一方面能減少制糖企業(yè)的成本，提升制糖企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，另一方面，在一定程度上降低了電能的消耗量，達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)，提高了變頻技術(shù)在鍋爐引風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用效果。

2.4 變頻改造前后節(jié)能效果分析

2.4.1 邏輯控制分析

當(dāng)引風(fēng)機(jī)運(yùn)用變頻技術(shù)進(jìn)行改造后，對鍋爐系統(tǒng)中的其他設(shè)備也有一定的好處。例如，能夠?qū)﹀仩t中主給水爐水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保了制取蔗糖過程中蒸汽的質(zhì)量。水爐中的水位升高后，其中的水位感應(yīng)器就會將感應(yīng)信號傳送給變頻器，降低水泵的轉(zhuǎn)速，反之亦然，始終保持水位在安全的水位線附近。此外，在二級泵中應(yīng)用變頻技術(shù)后，可對煮糖工段抽真空時(shí)使用，煮糖用水量的多少影響著變頻調(diào)節(jié)的頻率，一般增加到45 Hz 時(shí)，就能滿足工藝需求。以此類推，制糖工藝中其他級水泵也可以利用變頻技術(shù)進(jìn)行水壓、水位的調(diào)節(jié)，減少煮糖工段的不利因素[3]。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

以廣西市某蔗糖制糖企業(yè)為例，該企業(yè)對利用變頻技術(shù)改造前后的熱效率與風(fēng)機(jī)耗電情況進(jìn)行了測試，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與分析。平均熱效率提高了6.1%，降低了31.8%的過量空氣系數(shù)，產(chǎn)生的爐渣量也降低了45.5%；電機(jī)的平均效率提升到75%以上，鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)電率為60.8%，引風(fēng)機(jī)的節(jié)電率為48.2%。由以上數(shù)據(jù)可知，利用變頻技術(shù)改造后的鍋爐，爐膛內(nèi)負(fù)壓、鼓風(fēng)量、引風(fēng)量等參數(shù)都進(jìn)行了科學(xué)設(shè)定，提高鍋爐的運(yùn)行效率與工作精度，不僅滿足制糖的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，也可以滿足國家節(jié)能環(huán)保要求，促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論

綜上所述，我國制糖企業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在節(jié)能降耗方面已經(jīng)有了成功的實(shí)踐，但是鍋爐節(jié)能降耗體系與發(fā)達(dá)國家相比仍有一定差距。因此，我國制糖企業(yè)要借鑒先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，利用變頻技術(shù)創(chuàng)新鍋爐引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造方案，并進(jìn)行可行性的技術(shù)構(gòu)想，發(fā)揮出變頻技術(shù)在提高鍋爐自動化程度、節(jié)約企業(yè)成本等方面的作用，以此實(shí)現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。