周 勇

西南鋁業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司壓延廠 重慶 401326

前言

西南鋁壓延廠1#氣墊式連續(xù)熱處理爐,以下簡稱氣墊爐,其用途是將鋁帶卷連續(xù)進(jìn)行開卷、加熱、退火(淬火)熱處理、拉矯等工藝,并卷成所要求的成品卷。氣墊爐爐區(qū)共有18個燃燒區(qū),每個燃燒區(qū)各有單獨的氣墊熱風(fēng)循環(huán)控制系統(tǒng),其控制系統(tǒng)由氣墊循環(huán)風(fēng)機(jī)、氣墊循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)、風(fēng)道、風(fēng)門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、上下氣墊箱組成,主要功能是將加熱后的熱空氣送入氣墊箱,形成熱風(fēng)氣墊,控制氣墊壓力,托舉熱處理帶材和對帶材加熱。經(jīng)過多年的運行,存在以下問題：1、氣墊循環(huán)風(fēng)機(jī)拖動電機(jī)每區(qū)1臺(電機(jī)功率75KW),共有18臺,采用高低速雙速電機(jī),爐溫低于200℃時,循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)低速運轉(zhuǎn),氣墊壓力限制在60毫米水柱內(nèi),爐溫高于200℃以上,循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)高速運轉(zhuǎn),氣墊壓力限制在150毫米水柱內(nèi),防止電機(jī)過流。氣墊壓力調(diào)整是通過調(diào)整風(fēng)道風(fēng)門開口度控制,電機(jī)恒速運轉(zhuǎn),其電能消耗較高,不符合節(jié)能降耗要求。2、風(fēng)門調(diào)整執(zhí)行器采用開關(guān)量控制,斷續(xù)調(diào)整,動態(tài)響應(yīng)較慢,氣墊壓力時有波動,在生產(chǎn)厚度0.6mm以下帶材時,造成帶材在爐區(qū)內(nèi)上下跳動,產(chǎn)生擦劃傷,氣墊壓力控制精度已不能滿足生產(chǎn)需求。鑒于以上情況,對氣墊爐氣墊熱風(fēng)循環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造是非常有必要的。

1 系統(tǒng)改造方案制定

1.1 方案論證 取消原風(fēng)門調(diào)節(jié)執(zhí)行器,風(fēng)門全打開,使用循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)高速檔,采用交流變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,來調(diào)節(jié)氣墊壓力,從而達(dá)到電機(jī)節(jié)能目的。由于改變了熱風(fēng)循環(huán)控制模式,有可能造成氣墊壓力控制不穩(wěn)定和影響爐溫均勻性。于是采用局部改造論證方式進(jìn)行,選擇氣墊爐第10區(qū)和18區(qū)兩個敏感區(qū)進(jìn)行方案論證,采用兩套交流變頻器替代原有電機(jī)控制系統(tǒng),在主回路進(jìn)線側(cè)加裝電度表,修改PLC程序,使用PID控制器,通過交流變頻器無極調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制氣墊壓力,并在相鄰爐區(qū)未改電機(jī)控制系統(tǒng)加裝電度表,在相同工況下比較其用能情況。通過多輪料溫測試和爐溫均勻性測試,完全滿足生產(chǎn)要求。氣墊壓力控制滿足原有設(shè)計精度。通過能耗對比,節(jié)能15%以上。

1.2 實施方案 一是拆除原18個區(qū)循環(huán)風(fēng)機(jī)柜、進(jìn)線電源柜、輔助電源柜等,在原安裝位置重新配置新的風(fēng)機(jī)控制柜和進(jìn)線電源柜。新風(fēng)機(jī)控制柜采用目前先進(jìn)元器件和西門子G120交流變頻器。各交流變頻器與原主PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。二是拆除原有18套風(fēng)門控制器,風(fēng)門全打開固定。三是修改PLC程序,使用PID控制器,對氣墊壓力進(jìn)行閉環(huán)連續(xù)控制。

1.3 G120變頻器的特點 面向未來的模塊化設(shè)計,提供了變頻器的高度靈活性,可以在帶電情況下進(jìn)行模塊更換。安全保護(hù)功能的集成,使它更好的應(yīng)用于有安全保護(hù)要求的設(shè)備。提供強(qiáng)大的通訊功能,支持PROFINET或PROFIBUS以及PROFIdrive profile4.0,減少了接口數(shù)量,全廠范圍內(nèi)組態(tài),操作更為簡單。PM250創(chuàng)新的電路設(shè)計,運行負(fù)載的動能回饋到電網(wǎng),為節(jié)能提供了巨大空間。

2 風(fēng)機(jī)類變頻調(diào)速節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)負(fù)載具有變轉(zhuǎn)矩的特性,即轉(zhuǎn)矩隨速度的上升而上升。負(fù)載和速度的平方成正比,從輸出功率P與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系P=Kω3(K—風(fēng)機(jī)常數(shù),ω—電機(jī)旋轉(zhuǎn)角頻率)功率和速度是三次方的正比關(guān)系,其關(guān)系曲線如下圖所示。

3 調(diào)試的重點和難點

氣墊壓力控制系統(tǒng)取消原有18個區(qū)爐膛氣墊壓力調(diào)節(jié)送風(fēng)檔板電動角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu),氣墊壓力由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,控制風(fēng)機(jī)送風(fēng)量的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。板材寬度及爐膛溫度對氣墊壓力影響較大,為得到較為平穩(wěn)的氣墊壓力,就需要頻繁調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,為達(dá)到較高的控制精度和較快的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度,我們采用PID調(diào)節(jié)器對氣墊壓力進(jìn)行控制。其控制框圖見下圖。

如圖所示,當(dāng)壓力檢測傳感器檢測的氣墊壓力大于氣墊給定壓力時,PID調(diào)節(jié)器自動減少控制輸出量,通過變頻器降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,減少風(fēng)機(jī)送風(fēng)量,直到壓力檢測傳感器檢測的氣墊壓力等于氣墊給定壓力,才停止調(diào)節(jié),當(dāng)壓力檢測傳感器檢測的氣墊壓力小于氣墊給定壓力時,PID調(diào)節(jié)器自動增加控制輸出量,通過變頻器提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,增加風(fēng)機(jī)送風(fēng)量,直到壓力檢測傳感器檢測的氣墊壓力等于氣墊給定壓力,停止調(diào)節(jié)。在實際調(diào)試過程中,由于PI參數(shù)搭配不當(dāng),造成系統(tǒng)振蕩,無法將氣墊壓力控制在有效范圍內(nèi),通過分析有可能P參數(shù)過大,造成系統(tǒng)振蕩,于是減少P參數(shù),適當(dāng)增加I參數(shù),當(dāng)P參數(shù)減少到0.2時,系統(tǒng)馬上趨于平穩(wěn),氣墊壓力精度控制在±2毫米水柱內(nèi)。

4 改造后效果

通過對氣墊爐氣墊熱風(fēng)循環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,節(jié)能效果明顯：改造前本年度氣墊爐電單耗為214千瓦時/噸,改造后本年度電單耗為174千瓦時/噸,節(jié)能18.7%。由于采用PID調(diào)節(jié)器,通過變頻無極調(diào)速,提高了氣墊壓力調(diào)節(jié)動態(tài)響應(yīng)性,氣墊壓力控制精度由原有±4毫米水柱提升到±2毫米水柱內(nèi),緩解了帶材在爐區(qū)內(nèi)上下跳動,產(chǎn)生的擦劃傷,提高厚度0.6mm以下帶材成品率15%。