大型鑄鋼件冒口切割除塵系統(tǒng)節(jié)能改造

王 皓，羅永建，常 濤，劉 軼

（寧夏共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

自2010年以來，寧夏共享鑄鋼有限公司批量生產(chǎn)水電、核電等高合金產(chǎn)品，該類產(chǎn)品制作難度高，利潤大，為公司帶來顯著的經(jīng)濟效益，對公司的發(fā)展方向起著至關重要的作用，但是我們同時也看到了其帶來的不利影響。高合金產(chǎn)品在切割鑄件冒口時，需要使用氧化鐵粉，并配合高壓氧氣進行吹掃式切割，才能將打箱出來的鑄件冒口切除。在切割過程中，氧化鐵粉和氧氣會同高合金冒口發(fā)生劇烈化學反應，產(chǎn)生大量高溫煙氣，造成生產(chǎn)過程中，大量煙氣蔓延到車間內(nèi)，這些煙氣一方面危害到現(xiàn)場操作工人的健康，另一方面也對環(huán)境造成了嚴重的污染。為此，公司為該工序設計安裝了兩臺大功率的除塵器。但由于該工序為頻繁間歇性作業(yè)，造成了除塵器長時間處于滿負荷運行，產(chǎn)生大量能源浪費。

1 除塵系統(tǒng)在使用過程中存在的能源浪費

經(jīng)過對現(xiàn)場除塵系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，冒口切割工序有著間歇性作業(yè)的特殊工作性質，并且所切割鑄件化學成分不同，作業(yè)所產(chǎn)生的煙氣量也有所不同，再加上操作人員節(jié)能減排意識薄弱，致使除塵系統(tǒng)在生產(chǎn)間隙及煙氣量較小期間仍然滿負荷運行，造成大量電能浪費。

2 實現(xiàn)除塵系統(tǒng)節(jié)能減排的難點

制定行之有效的節(jié)能減排控制方案，必須考慮到要徹底擺脫陳舊的依靠人為控制的節(jié)能減排工作方式，以及避免大功率除塵電機頻繁啟停對設備自身所造成的損壞。如何克服以上難點，并使除塵系統(tǒng)達到最大限度的節(jié)能減排是本次方案的重點所在。

3 總體方案的設計和技術實施過程

3.1 方案思路的確定

智能控制除塵風機的轉速是節(jié)能的關鍵。目前，交流變頻調速技術是控制風機轉速的一種主要手段，采用變頻器調速系統(tǒng)直接控制除塵風機的轉速，并應用PLC、傳感器及變頻器構成除塵自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)除塵風機根據(jù)煙氣量的變化而自動調節(jié)風量和壓力的運行方式，從而最終達到節(jié)能降耗、提高除塵效率的目的。

3.2 控制方式的確定

普通的控制方式主要有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。

3.2.1 前饋（開環(huán)）控制方式

主要是找到切割作業(yè)的氧氣耗量和作業(yè)所產(chǎn)生的煙氣量的數(shù)學關系，利用安裝在吹氧管上的氣體流量傳感器來推斷當前切割作業(yè)所產(chǎn)生煙氣量的大小。從而進一步控制風機轉速，使其達到預先設定好的轉速檔位。這種控制方式能夠起到一定的節(jié)能效果，但控制的精確度較低，還存在大量能源浪費。

3.2.2 負反饋閉環(huán)控制方式

主要是使收塵室內(nèi)時刻保持為負壓狀態(tài)，致使室內(nèi)煙氣無法外溢。該控制方法必須保證收塵室的開口風速大于0 s，而開口風速由除塵風機的風量和收塵室內(nèi)所產(chǎn)生煙氣量決定。在煙氣量一定的情況下，除塵風機的風量過小會出現(xiàn)煙塵外溢，風量過大會造成資源浪費。因此，取收塵室內(nèi)煙塵不外溢的條件下，開口風速為1 m/s所需要的除塵風量為閉環(huán)控制的期望設定值，取開口風速變化量為受控變量。

設XT為目標信號設定值，該設定值為收塵室開口風速為1 m/s狀態(tài)時的模擬量信號，XF為風速傳感器反饋的當前風速模擬量信號，則變頻器的輸出頻率fX由XT和XF的差值決定。

若反饋值XF大于設定值XT，說明收塵室內(nèi)煙氣量大于除塵系統(tǒng)的煙氣處理能力，則變頻器的輸出頻率fX提高，電機轉速增大，使除塵風量增大，直至收塵室開口風速重新恢復1 m/s狀態(tài)。

反之，若反饋值XF小于設定值XT，說明收塵室內(nèi)煙氣量小于除塵系統(tǒng)的煙氣處理能力，則變頻器的輸出頻率fX降低，電機轉速減小，使除塵風量減小，直至收塵室開口風速重新恢復1 m/s狀態(tài)。

以PLC作為控制器構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示，檢測元件將被控量實際值PV轉換為1 V～5 V電壓信號，該模擬信號接至PLC的模擬量輸入模塊，進行A/D轉換。根據(jù)編寫的PID控制程序將測量值與給定值SP進行比較，通過兩者的偏差e進行PID運算得到輸出操作信號u，經(jīng)PLC的模擬量輸出模塊進行D/A轉換，轉換后的信號（4～20 mA電流信號）被傳輸至PLC用于驅動執(zhí)行機構（變頻器），實現(xiàn)對被控對象的控制。閉環(huán)控制原理見圖1.

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)基本原理

閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的問題：

1）開始切割作業(yè)時，瞬間產(chǎn)生大量煙氣，壓力傳感器反饋及時性差，造成煙氣外溢；

2）切割作業(yè)過程中，煙氣量變化速度快、幅度大，系統(tǒng)頻繁調頻，波動性大，進入平穩(wěn)運行狀態(tài)需要時間較長；

3）停止切割作業(yè)時，除塵室內(nèi)壓力變化緩慢，PLC不能及時控制除塵系統(tǒng)進入節(jié)能狀態(tài)，造成能源浪費。

3.2.3 復合控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制+開環(huán)控制）

如圖2，在復合控制系統(tǒng)中，首先，取切割冒口工序的氧氣用量作為前饋控制的給定值輸入PLC，PLC控制變頻器改變風機轉速，使風機轉速根據(jù)氧氣流量的大小達到預先設定好的轉速檔位，經(jīng)過延時后，再由風速傳感器將收塵室的開口風速反饋給PLC，而PLC根據(jù)內(nèi)部設定值經(jīng)過程序運算后，再次控制變頻器改變除塵風機的轉速，從而實現(xiàn)了由傳感器、PLC、變頻器、電機、風機組成的精確復合控制。該控制方式既彌補了負反饋控制實時性低的弊端，又克服了前饋控制偏差較大的問題。

圖2 復合控制系統(tǒng)流程圖

4 結 論

自該除塵系統(tǒng)投入運行以來，使用情況良好，大大改善了冒口切割工序及車間作業(yè)環(huán)境，使工人能夠在一個良好的環(huán)境下工作，提高了工作效率，同時高水平的自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了除塵風量、脈沖反吹、卸灰、收塵室風門等的全自動化控制及系統(tǒng)故障報警系統(tǒng)，使原來除塵系統(tǒng)繁瑣的操作流程得到簡化，既減輕了工人的勞動強度，又減少了工人的誤操作。在能耗方面，也為公司節(jié)約大量電能，投資回收期僅半年，達到了公司節(jié)能降耗的目標，經(jīng)濟效益顯著。

［1］陳文義，張偉.流體力學［M］.天津：天津大學出版社，2004.

［2］胡壽松.自動控制原理［M］.第4版.北京：科學出版社，2001.

［3］劉筑雄，張家平，松高舉，等.鑄造防塵技術規(guī)程指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.