基于變頻調(diào)速對造紙廠節(jié)能改造的分析

晏劍輝

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川瀘州,646005)

基于變頻調(diào)速對造紙廠節(jié)能改造的分析

晏劍輝

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川瀘州,646005)

介紹了變頻調(diào)速對造紙廠用電動(dòng)機(jī)節(jié)能的原理,對造紙廠主要用電負(fù)荷的調(diào)速進(jìn)行分析,提出了變頻器控制系統(tǒng)的改進(jìn)方案,減少生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的空載與輕載能量消耗,達(dá)到節(jié)能的目的。

變頻器;造紙廠;節(jié)能;改造

近年來,電力電子技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展為造紙廠技術(shù)的更新提供了技術(shù)基礎(chǔ)。通過對四川省瀘州地區(qū) 20多家造紙廠的 7大系統(tǒng)的生產(chǎn)分析,發(fā)現(xiàn)許多造紙廠大多采用繼電器控制方法對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制,由于紙張的厚度和抄寬不同,采用這種方法造成電能的大量浪費(fèi)。為了充分發(fā)揮效能,造紙廠急需對電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造,本研究是針對造紙廠主要耗電較大的 3大系統(tǒng) (紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、鍋爐鼓風(fēng)與引風(fēng)系統(tǒng)、紙機(jī)供水系統(tǒng))中的各類電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。結(jié)合我國各類變頻器控制電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn),提出了利用變頻技術(shù)改進(jìn)造紙廠 3大系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備的過程控制,減少空載與輕載運(yùn)行時(shí)的能量消耗,以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

1 變頻器調(diào)速對電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果的理論分析

1.1 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理

交流異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為:

其中,n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,f為電動(dòng)機(jī)輸入端交流電壓的頻率,s為轉(zhuǎn)差率,p為電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對數(shù)。調(diào)整這 3個(gè)參數(shù)中任意 1個(gè)均可以改變電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。但是在調(diào)整極對數(shù)時(shí)需要改變電動(dòng)機(jī)的繞組結(jié)構(gòu),并且調(diào)節(jié)呈階梯型,調(diào)節(jié)范圍小,改變轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)范圍也很有限。而利用變頻器來改變交流電源的頻率,即可以實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速,從而達(dá)到調(diào)節(jié)造紙廠傳動(dòng)電機(jī)、風(fēng)機(jī)及水泵等設(shè)備轉(zhuǎn)速的目的。

1.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能原理及節(jié)能效果分析[1]

由流體力學(xué)可知,

P=QH

其中,P為電動(dòng)機(jī)功率,Q為流量,H為壓力(揚(yáng)程)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從 n1變?yōu)?n2時(shí),Q、H、P的關(guān)系為:

根據(jù)上述分析可知,當(dāng)效率一定,造紙廠生產(chǎn)過程中流量改變時(shí),轉(zhuǎn)速可以通過變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,而此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出功率 P吸取的電能可以按照轉(zhuǎn)速的立方關(guān)系下降,從而節(jié)約電能。

2 造紙廠主要用電負(fù)載的調(diào)速分析

2.1 造紙?jiān)O(shè)備的幾種調(diào)速方式

從造紙?jiān)O(shè)備的調(diào)速方式現(xiàn)狀來看,制漿造紙工業(yè)裝機(jī)容量大,生產(chǎn)連續(xù)性要求高,但大部分造紙廠設(shè)備陳舊,工藝落后,尤其是調(diào)速方式落后,根據(jù)其生產(chǎn)工藝的特點(diǎn),造紙廠可以采用以下幾種方式調(diào)速。

(1)更換異步電動(dòng)機(jī)的皮帶輪進(jìn)行有級調(diào)速。

(2)交流整流子異步電動(dòng)機(jī)小范圍無級調(diào)速。

(3)直流發(fā)電機(jī)組——直流電機(jī)調(diào)速。

(4)可控硅整流裝置——直流電機(jī)調(diào)速 (小型紙廠常用)。

(5)電磁離合器——鼠籠電機(jī)調(diào)速。

(6)異步電機(jī)配用傘形皮帶輪小范圍調(diào)速 (切紙機(jī)多用)。

(7)交流變頻器——異步電機(jī)無級調(diào)速。

2.2 基于交流變頻器對造紙廠的改造分析

按照造紙廠生產(chǎn)工藝的流程,通常將造紙廠分為7大系統(tǒng),它們是供漿系統(tǒng)、白水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、化學(xué)品制備及傳送系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng);從用電性質(zhì)來分析,可以將造紙廠上述 7大系統(tǒng)綜合為 3大系統(tǒng),即紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、鍋爐鼓風(fēng)與引風(fēng)系統(tǒng)、紙機(jī)供水系統(tǒng)。許多造紙廠采用繼電器控制方法對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制,從以上 7種調(diào)速方式來看,由于變頻技術(shù)在工礦自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用技術(shù)越來越成熟,同時(shí)造紙廠主要用電設(shè)備大量使用異步電動(dòng)機(jī),因此為了節(jié)約電能,減少空載與輕載運(yùn)行時(shí)的能量消耗,本課題提出利用交流變頻器對造紙廠進(jìn)行改造。

2.2.1 紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)用電負(fù)荷[2]的生產(chǎn)分析

紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的用電負(fù)荷共有 133 kW,分布在6個(gè)傳動(dòng)點(diǎn):1號主壓、2號主壓、一缸、二缸 /三缸、壓光、收卷等工藝段,各傳遞點(diǎn)滑差電機(jī)功率為55～11 kW。在正常情況下,實(shí)際生產(chǎn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的 40%,造成電能浪費(fèi)。

2.2.2 紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)控制的變頻器配置

根據(jù)瀘州造紙廠紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)及要求[3],1號主壓、2號主壓是將紙漿壓成紙,入口水分大,出口水分小,導(dǎo)致進(jìn)出負(fù)載轉(zhuǎn)矩相應(yīng)波動(dòng)大,3個(gè)大缸的作用是通過熱蒸汽將紙烘干,屬于恒轉(zhuǎn)矩大慣性負(fù)載,減速時(shí)間長,一般需要 1 min左右,其中 3號大缸在卷取機(jī)換紙卷時(shí)具有瞬間突變性,要求控制系統(tǒng)具有快速躍變響應(yīng)能力;因此對變頻器的機(jī)械特點(diǎn)要求很高。艾默生變頻器 TD2000適合用于恒轉(zhuǎn)矩大慣性負(fù)載,艾默生變頻器 TD3000適合用于瞬間突變性負(fù)載,根據(jù)這些生產(chǎn)工藝特點(diǎn),提出紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)配置艾默生變頻器。

2.2.3 鍋爐鼓風(fēng)、引風(fēng)系統(tǒng)用電負(fù)荷[2]的生產(chǎn)分析

鍋爐鼓風(fēng)、引風(fēng)系統(tǒng)的電機(jī)功率共有 52 kW。風(fēng)量是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度大小來調(diào)節(jié),由于風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性是功率與風(fēng)量的 3次方成正比,通過變頻器調(diào)節(jié),當(dāng)所需風(fēng)量稍微減少,所需電能就能大幅度下降。紙機(jī)所需蒸汽在不斷變化,鍋爐燃燒程度和鼓風(fēng)、引風(fēng)量同時(shí)也在不斷變化,通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)量來保持管道蒸汽壓力的恒定,則可以達(dá)到節(jié)電、省煤與恒壓供汽的目的。

變頻調(diào)速主要通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制空壓機(jī)單位時(shí)間的出氣量,從而達(dá)到控制管路的壓力,調(diào)節(jié)空壓機(jī)的能量,具有明顯的節(jié)能效果。它能在一定范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行能量調(diào)節(jié),滿足空壓機(jī)輕載時(shí)的運(yùn)行需要,使制氣量與實(shí)際用氣量相匹配。電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行供氣控制時(shí),通過壓力變送器測得的管網(wǎng)壓力值與壓力的設(shè)定值相比較后得到偏差,經(jīng)P ID調(diào)節(jié)器計(jì)算出變頻器作用于異步電動(dòng)機(jī)的頻率值后,由變頻器輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電,使電動(dòng)機(jī)上得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)這些生產(chǎn)特點(diǎn),鍋爐鼓風(fēng)、引風(fēng)系統(tǒng)的變頻器可以選用ABB ACS60變頻器。

2.2.4 紙機(jī)供水系統(tǒng)用電負(fù)荷[2]的生產(chǎn)分析

紙機(jī)供水系統(tǒng)一般由 2臺 55 kW水泵組成,大多數(shù)情況是 1臺不夠,2臺浪費(fèi)。由于企業(yè)的生產(chǎn)訂單不同使所開紙機(jī)的臺數(shù)不同,白天與晚上用水量也不同,導(dǎo)致用水量隨時(shí)變化。水泵工作特性與風(fēng)機(jī)類似,所以,通過改造亦可以達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí),水泵長期低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,能夠極大地延長電機(jī)水泵的壽命。

2.2.5 紙機(jī)供水系統(tǒng)控制的變頻器配置[4]

本方案采用 1臺變頻器控制 2臺啟變頻電機(jī)的啟動(dòng),首先由變頻器控制 1臺電機(jī)啟動(dòng),當(dāng)啟動(dòng)頻率達(dá)到工頻時(shí),如果此時(shí)水網(wǎng)水壓力小于 4×105Pa,則由 PLC控制器控制中間繼電器和接觸器把這臺電機(jī)切換到工頻運(yùn)行,此時(shí)變頻器退出轉(zhuǎn)而控制下一臺電機(jī)啟動(dòng)?？刂频?2臺電機(jī)啟動(dòng)頻率從 0～50 Hz變化,直到水網(wǎng)壓力達(dá)到 4×105Pa。用水最高峰時(shí)會出現(xiàn)2臺電機(jī)工頻運(yùn)行。但在平常運(yùn)行中,1臺電機(jī)工頻運(yùn)行、1臺電機(jī)變頻運(yùn)行的情況較多。參與控制的 2臺水泵均采用變頻器電機(jī),驅(qū)動(dòng)器采用 ABB的ACS400系列變頻器,該變頻器過程參數(shù)比較方便地顯示在變頻器觸摸屏上,全線控制由微型 PLC控制器 (FXOS-30MR)和 ABB的 ACS401004132變頻器構(gòu)成。

3 結(jié) 語

造紙企業(yè)是高能耗企業(yè),每噸紙所耗電能在 500 kWh以上,電能消耗十分嚴(yán)重。傳統(tǒng)造紙機(jī)械采用的 SCR直流調(diào)速 (大功率)和滑差電機(jī) (小功率)傳動(dòng),在生產(chǎn)過程中經(jīng)常由于機(jī)械磨損、傳動(dòng)帶的打滑等因素造成速度匹配失調(diào),形成斷紙、厚度不均等現(xiàn)象。為了降低能耗、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。根據(jù)國內(nèi)造紙?jiān)O(shè)備和生產(chǎn)工藝的特點(diǎn),本課題提出在每一個(gè)傳動(dòng)分部安裝交流電動(dòng)機(jī)并配置相應(yīng)的變頻器、使各分部能夠?qū)崿F(xiàn)同步控制,也能夠在一定的范圍內(nèi)調(diào)速,減少空載與輕載運(yùn)行時(shí)的能量消耗,達(dá)到節(jié)約能源的目的。

[1] 黃 慶,覃琪河.變頻調(diào)速技術(shù)在造紙廠的應(yīng)用[J].中國造紙,2007,26:(11):30.

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Frequency Converter Speed Control-based Retrofit of the PaperM ill

YAN Jian-hui
(Luzhou Vocational&Technical College,Luzhou,Sichuan,646005)

Papermill energy-savingprinciple based on frequency converter speed controlwas briefly described.Based on themain power load production process analysis,the converter control system was designed to improve the process controlof the production equipment and reduce the energy consumption during the idle and light-load operation.

converters;papermills;energy saving;retrofit

TS736

B

0254-508X(2010)05-0057-03

晏劍輝先生,副教授;主要研究方向:電力系統(tǒng)自動(dòng)化。

(E-mail:lzyjh88@163.com)

2009-11-17(修改稿)

瀘州市科技局重點(diǎn)科技項(xiàng)目 2009-S-19(1/4)。

(責(zé)任編輯:常 青)