前紡FDY/POY裝置空氣調(diào)節(jié)變頻改造

任學(xué)標(biāo)

(中國石化儀征化纖股份有限公司長絲加彈中心，江蘇儀征 211900)

一般來說，生產(chǎn)車間內(nèi)的空氣溫度、濕度、流動速度、含塵濃度與新鮮度必須滿足生產(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、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 存在問題

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

2 改造過程

2.1 變頻改造技術(shù)方案

由HONEYWELL DCS對風(fēng)壓進(jìn)行閉環(huán)控制。由現(xiàn)場現(xiàn)有的壓力傳感器測量風(fēng)壓，經(jīng)信號分配器，一路送至DCS，一路送至現(xiàn)場控制柜上壓力顯示儀表。DCS輸出4～20 mA轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號至現(xiàn)場(目前已至現(xiàn)場現(xiàn)有控制柜中)。變頻器設(shè)定值具有“自動－手動”切換功能，“自動”信號來自DCS，“手動”信號來自現(xiàn)場控制柜上顯示儀表。變頻器啟動、停止由新增控制柜上的啟動、停止按鈕控制。變頻器啟動后運(yùn)行正常時須給出“運(yùn)行”信號至DCS，發(fā)生“過載”或“接地”等故障時須給出“故障”信號至DCS和現(xiàn)場蜂鳴器。控制柜上由指示燈指示變頻器進(jìn)線電源分合閘狀態(tài)，控制柜采用下進(jìn)線方式，零地線分開?？刂乒裼砂惭b在側(cè)面的冷卻機(jī)冷卻，控制柜顏色與現(xiàn)場現(xiàn)有控制柜統(tǒng)一。所有現(xiàn)場送至DCS的信號均須進(jìn)行可靠隔離，不得有干擾信號進(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

對電機(jī)采用變頻調(diào)速自動控制，改造后能夠較大幅度節(jié)能降耗，延長軸承、過濾袋的使用壽命，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)變頻控制分手動和自動控制兩種，正常采用DCS自動控制，便于中控室值班人員及時掌握現(xiàn)場工作狀態(tài);

b)2臺差壓變送器，量程0～10 kPa，4～20 mA信號輸出;

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

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

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

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

2.4 變頻控制的基本工作原理

2.4.1 DCS 自動控制

利用該廠前紡現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)，對管道風(fēng)壓實(shí)行單回路PID自動控制?？刂苹芈酚蓧毫鞲衅?、DCS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)場新增的壓力傳感器測量風(fēng)壓，將4～20 mA信號送入DCS，通過PID調(diào)節(jié)回路，再將4～20 mA信號送入變頻器頻率設(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 手動控制

為防止DCS自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，設(shè)計時，增加1套PID手動調(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，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對象的結(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，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)場調(diào)試來確定，這時應(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)器的信號對風(fēng)機(jī)進(jìn)行速度控制，控制器綜合給定信號與反饋信號后，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，在電動機(jī)上得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速?？刂苹芈酚?臺壓力變送器、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)道中測量風(fēng)壓，變換為4～20 mA信號送入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(4～20 mA信號)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臺壓力傳感器安裝離風(fēng)機(jī)大約100 m處的工作現(xiàn)場，測量工作現(xiàn)場風(fēng)壓，變換為4～20 mA信號送入無紙記錄儀端子，記錄歷史數(shù)據(jù)和顯示趨勢及報警。見圖2所示。

圖2 POY/FDY裝置風(fēng)機(jī)變頻改造現(xiàn)場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態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量驅(qū)動控制技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)高速計算電動機(jī)驅(qū)動負(fù)載所需功率、最佳控制電壓和電流矢量，最大限度地發(fā)揮電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。按照動態(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)載和及時檢知再生功率，設(shè)有控制減速時間的再生回避功能，實(shí)現(xiàn)無跳閘自動減速過程。同時在同類進(jìn)口變頻器中價格較低，且具有適合風(fēng)機(jī)的自動節(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，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元計算，73 584×0.6=44 150.4元。

由此可見，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算:

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

通過風(fēng)門控風(fēng)量時，因轉(zhuǎn)速n不變，而流量Q下降，故效率ηp下降，而通過轉(zhuǎn)速控制風(fēng)量時，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)全自動無級調(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)速不能過低，避免電機(jī)過熱;在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度時，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，必要時加裝相應(yīng)容量濾波裝置。

4 結(jié)語

采用交流變頻調(diào)速器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，不但操作簡單方便、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，使設(shè)備管理規(guī)范化，提高了工作效率，需要在線改變的量通過DCS人機(jī)界面直接設(shè)定，簡單直觀，便于操作。DCS遠(yuǎn)程自動控制與現(xiàn)場PID手動調(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)程控制變頻和手動即時變頻等功能，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。