廢舊鉛酸蓄電池回收生產(chǎn)線(xiàn)制氧站的節(jié)能改進(jìn)技術(shù)研究

廢舊鉛酸蓄電池回收生產(chǎn)線(xiàn)制氧站的節(jié)能改進(jìn)技術(shù)研究*

孟昕元1,廖粵峰1，吳永亮2

(1.河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校 自動(dòng)控制系,河南 新鄉(xiāng) 453000；2.駐馬店宿鴨湖水庫(kù)管理局，河南 駐馬店 463300)

摘要:針對(duì)廢舊鉛蓄電池回收生產(chǎn)線(xiàn)制氧站在生產(chǎn)過(guò)程用氧量下降時(shí)排氧量過(guò)多，導(dǎo)致大量電能浪費(fèi)的情況,提出了一種節(jié)能改進(jìn)技術(shù)。首先根據(jù)制氧站中羅茨風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn),引入變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速,同時(shí)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)與排風(fēng)風(fēng)機(jī)之間一個(gè)最優(yōu)的速度組合,最后在MATLAB仿真環(huán)境與實(shí)際工廠(chǎng)環(huán)境下對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的改進(jìn)方法能夠有效地減少制氧站的電能浪費(fèi)同時(shí)，還能保證整個(gè)回收生產(chǎn)線(xiàn)的正常工作。

關(guān)鍵詞:制氧站;羅茨風(fēng)機(jī);變頻調(diào)速;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP13

收稿日期：*2015-04-15

基金項(xiàng)目：2012年河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“廢舊鉛酸蓄電池回收生產(chǎn)線(xiàn)制氧站綜合節(jié)能技術(shù)研究”(122102210256)

作者簡(jiǎn)介：孟昕元(1975-),男,河南新鄉(xiāng)人，副教授,主要從事自動(dòng)控制理論與應(yīng)用研究。

0引言

廢舊鉛酸蓄電池回收生產(chǎn)線(xiàn)能夠完成從廢舊蓄電池的回收——再生熔煉——資源的綜合利用的一條龍過(guò)程,其中所產(chǎn)鉛膏、浮渣等中間產(chǎn)品替代部分鉛精礦作為富氧底吹爐的煉鉛原料,以達(dá)到減少鉛精礦用量及再生鉛資源綜合利用的目的。實(shí)現(xiàn)綜合回收利用廢鉛蓄電池中各組分,使廢棄物最大限度地轉(zhuǎn)化為資源,變廢為寶,化害為利。國(guó)家也大力推動(dòng)節(jié)能減排的政策,所以廢舊鉛酸蓄電池回收生產(chǎn)線(xiàn)有非常好社會(huì)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

雖然該回收生產(chǎn)線(xiàn)優(yōu)點(diǎn)很多,但是也存在不少問(wèn)題。在廢舊鉛蓄電池回收生產(chǎn)線(xiàn)過(guò)程中的短窯熔煉、火法精煉環(huán)節(jié),需要用到大量富氧,所以制氧站是一個(gè)重要環(huán)節(jié),目前制氧站主要采用的風(fēng)機(jī)送風(fēng),通過(guò)分子篩來(lái)獲取氧氣。這些風(fēng)機(jī)主要是工作在工頻下全速運(yùn)行,調(diào)節(jié)氧氣用量主要依靠排氧到大氣中,這就不僅風(fēng)機(jī)處于全速運(yùn)行的耗電狀態(tài),同時(shí)大量的氧氣也浪費(fèi)了。

就目前所收集到的國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展水平和趨勢(shì)的文獻(xiàn)資料來(lái)看,未見(jiàn)到廢舊鉛酸蓄電池回收生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域的綜合節(jié)能技術(shù)研究,但是還是有國(guó)內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)問(wèn)題上進(jìn)行了討論,文獻(xiàn)[1]研究了高壓變頻器在發(fā)電廠(chǎng)引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用,采用高壓變頻技術(shù)不僅可以減少能源消耗近30%,而且可以有效控制實(shí)時(shí)變化的風(fēng)量。文獻(xiàn)[2]、[3]、[4]研究了水泥等行業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上羅茨風(fēng)機(jī)的變頻改造與節(jié)能分析,指出使用變頻器進(jìn)行技術(shù)改造后,綜合節(jié)電25%左右,節(jié)能效果顯著。文獻(xiàn)[5]對(duì)變頻方案的可靠性進(jìn)行了研究,從效率角度分析了變頻調(diào)速原理,提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效率交流電機(jī)調(diào)速的P理論及相應(yīng)的變頻調(diào)速的功率控制原理。

上述研究為本文提供了大量依據(jù)。因此本文提出的改進(jìn)方法首先根據(jù)制氧站中羅茨風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn),引入變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速,同時(shí)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)與排風(fēng)風(fēng)機(jī)之間一個(gè)最優(yōu)的速度組合。通過(guò)最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的改進(jìn)方法能夠有效地減少制氧站的電能浪費(fèi)，同時(shí)，還能保證整個(gè)回收生產(chǎn)線(xiàn)的正常工作。

1制氧站系統(tǒng)

1.1　制氧站工作原理

制氧站使用變壓吸附制氧設(shè)備(流程簡(jiǎn)圖如圖1所示)。該設(shè)備采用了分子篩制氧原理,外界空氣經(jīng)入口過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入原料風(fēng)機(jī),加壓后進(jìn)入兩個(gè)交替工作的分子篩吸附床,吸附劑選擇性地吸收空氣中氮?dú)?、水分、二氧化碳和碳?xì)浠衔?產(chǎn)品氧氣從分子篩吸附床頂部進(jìn)入緩沖罐中,向氧壓機(jī)連續(xù)供氧;而被吸附劑吸附的廢氣由真空風(fēng)機(jī)抽出,排入大氣。

圖1　制氧站設(shè)備流程簡(jiǎn)圖 1—進(jìn)口消聲器 2—原料進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī) 3—出口消聲器 4—電磁閥 5—分子篩吸附器 6—緩沖罐 7—排風(fēng)風(fēng)機(jī) 8—分離消聲器

1.2　分子篩制氧原理

分子篩是一種具有立方晶格的硅鋁酸鹽化合物。分子篩具有均勻的微孔結(jié)構(gòu),它的孔穴直徑大小均勻,這些孔穴能把比其直徑小的分子吸附到孔腔的內(nèi)部,并對(duì)極性分子和不飽和分子具有優(yōu)先吸附能力,因而能把極性程度不同、飽和程度不同、分子大小不同及沸點(diǎn)不同的分子分離開(kāi)來(lái),即具有“篩分”分子的作用,故稱(chēng)分子篩。分子篩具有加壓時(shí)對(duì)氮的吸附容量增加,減壓時(shí)吸附容量減少的特點(diǎn),因此可采用對(duì)5A沸石分子篩加壓時(shí)吸附氮,減壓時(shí)氮從分子篩中解吸出來(lái)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓吸附的方法制氧。

1.3　羅茨風(fēng)機(jī)工作原理

羅茨風(fēng)機(jī)屬于容積式風(fēng)機(jī),輸送的風(fēng)量與轉(zhuǎn)數(shù)成比例,葉輪端面和風(fēng)機(jī)前后端蓋之間及風(fēng)機(jī)葉輪之間始終保持微小間隙,在同步齒輪的帶動(dòng)下風(fēng)從風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口沿殼體內(nèi)壁輸送到排出的一側(cè)。風(fēng)機(jī)內(nèi)腔不需要潤(rùn)滑油,具有高效節(jié)能,精度高,壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,重量輕等特點(diǎn)。

圖2　羅茨風(fēng)機(jī)工作原理圖

圖2是羅茨風(fēng)機(jī)的工作原理示意圖,從圖中可以看出,兩個(gè)葉輪相向轉(zhuǎn)動(dòng),由于葉輪與葉輪,葉輪與機(jī)殼,葉輪與墻板之間的間隙極小,從而使進(jìn)氣口形成了真空狀態(tài),空氣在大氣壓的作用下,進(jìn)入進(jìn)氣腔,然后,每個(gè)葉輪的其中兩個(gè)葉片,與墻板、機(jī)殼構(gòu)成了一個(gè)密封腔,進(jìn)氣腔的空氣在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,被兩個(gè)葉片所形成密封腔不斷地帶到排氣腔,又因?yàn)榕艢馇粌?nèi)的葉輪是相互嚙合的,從而把兩個(gè)葉片之間的空氣擠壓出來(lái),這樣連續(xù)不停的運(yùn)轉(zhuǎn),空氣就源源不斷地從進(jìn)氣口輸送到出氣口,這就是羅茨風(fēng)機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程及工作原理。

在制氧站系統(tǒng)中,原料進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)與排風(fēng)風(fēng)機(jī)均采用羅茨風(fēng)機(jī),所以對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)的控制是制氧站系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵所在。

羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓是不受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制的,不論轉(zhuǎn)速變化如何其風(fēng)壓可以保持不變。而風(fēng)量則與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的。即Q=Kn,其中Q表示風(fēng)量。n表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,K為系數(shù)。從公式可知,只要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的無(wú)級(jí)調(diào)速就能夠?qū)︼L(fēng)量進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速,從而能夠應(yīng)對(duì)制氧站任意用氧情。

2制氧站系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)方法

2.1　風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速

傳統(tǒng)制氧站系統(tǒng)中羅茨風(fēng)機(jī)是在工頻下工作,此時(shí)風(fēng)機(jī)速度就固定了,要改變風(fēng)的流量有兩種辦法:第一種方法是調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口閥門(mén)的開(kāi)度,結(jié)合圖1中制氧設(shè)備流程圖可以看出,當(dāng)緩沖罐容積固定時(shí),增大閥門(mén)開(kāi)度,進(jìn)風(fēng)量增加,但是實(shí)際上帶來(lái)的阻力也增大了,對(duì)于風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)就是負(fù)載增加了,此時(shí)能量消耗也相應(yīng)增大。第二種方法是通過(guò)調(diào)節(jié)出風(fēng)口閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn),這種方法下排出的風(fēng)將全部浪費(fèi),所以這個(gè)方法實(shí)質(zhì)就是利用浪費(fèi)多余的風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量。從以上方法可以看出,如果分級(jí)工作在工頻下,是很難解決能源浪費(fèi)問(wèn)題的。

因此,本文將變頻調(diào)速的方法引入至羅茨風(fēng)機(jī)控制中,羅茨風(fēng)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由交流異步電動(dòng)機(jī)組成,而交流調(diào)速的方法常用的就是變頻調(diào)速。

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式首先定義轉(zhuǎn)速差s,其表達(dá)式為:

(1)

式中:n1為同步轉(zhuǎn)速,n為機(jī)械轉(zhuǎn)速。由式(1)可以得到:

n=n1(1-s)

(2)

由于恒等變換不改變等式性質(zhì), 可見(jiàn)式(2)仍是定義式,是式(1)的另一種表達(dá)形式。

又根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知,同步轉(zhuǎn)速的表達(dá)式如(3)所示:

(3)

式中:f為供電頻率,p為異步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

將式(3)帶到式(2)中得到:

(4)

這里就得到了異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式。在上一節(jié)中已經(jīng)得到風(fēng)量計(jì)算公式,這里可以進(jìn)一步表達(dá)為:

(5)

根據(jù)式(5)就可以看出羅茨風(fēng)機(jī)傳送的風(fēng)量與供電頻率是正比的關(guān)系,改變f就能改變風(fēng)量大小。因此本文將變頻器技術(shù)引入到羅茨風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中,就能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速,不僅改變了風(fēng)機(jī)的工作性能,還大大減少了電能的浪費(fèi)。

2.2　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最優(yōu)組合

由于制氧站是一個(gè)連續(xù)工作過(guò)程,當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程用氧量下降時(shí),緩沖罐氧氣壓力過(guò)大;為防止出現(xiàn)安全事故,保證緩沖罐恒壓,就需要減少進(jìn)氧量,將多余的氧氣排到大氣中。

首先需要計(jì)算當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程用氧量對(duì)應(yīng)的緩沖罐的壓力,作為制氧站控制系統(tǒng)的壓力期望值。這部分內(nèi)容本文不做詳細(xì)介紹。根據(jù)期望壓力值通過(guò)變頻來(lái)改變羅茨風(fēng)機(jī)的速度,改變進(jìn)風(fēng)量,就改變了氧氣的壓力,從而使在不同用氧量下,緩沖罐都能保持恒壓。此時(shí),可以固定進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而固定進(jìn)風(fēng)量,減小排風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)使緩沖罐壓力恒定。這里需要注意的是,系統(tǒng)不能只依靠減小排風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)減小系統(tǒng)中原料的流量,因?yàn)闇p小排風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)使風(fēng)阻增大,對(duì)于固定轉(zhuǎn)速的進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)即表現(xiàn)為負(fù)載增大,此時(shí)電能消耗也會(huì)增加,所以依然不能起到節(jié)能的效果。所以本文將對(duì)進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)與排風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間進(jìn)行最優(yōu)的組合從而達(dá)到使整個(gè)系統(tǒng)效率提升并減少電能的消耗,最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

因?yàn)榫哂辛己玫暮瘮?shù)逼近能力,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被大量應(yīng)用到系統(tǒng)建模中。為了使系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確地了解被控對(duì)象信息,本文使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)[6],RBF網(wǎng)絡(luò)是一種3層前向網(wǎng)絡(luò),由輸入到輸出的映射是非線(xiàn)性的,局部逼近的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其辨識(shí)得到的模型更接近于真實(shí)模型。令RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為測(cè)量的實(shí)際緩沖罐壓力與壓力期望值之間誤差和誤差變化率,輸出為估計(jì)進(jìn)風(fēng)量與排風(fēng)量。通過(guò)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷在線(xiàn)逼近真實(shí)的風(fēng)量,將估計(jì)質(zhì)量代入式(5),就能夠計(jì)算出所需要的變頻器輸出的頻率。

設(shè)計(jì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)估計(jì)進(jìn)風(fēng)量與排風(fēng)量,用ε代表神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近誤差,則風(fēng)量的估計(jì)表達(dá)式可以表示為:

(6)

(7)

其中,VTx為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層的高斯基函數(shù),WT、UT為網(wǎng)絡(luò)的輸出層權(quán)值,權(quán)值自適應(yīng)學(xué)習(xí)率由制氧系統(tǒng)的壓力誤差值和誤差變化率設(shè)計(jì)。

通過(guò)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,可以不斷地估算出最優(yōu)的進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)與排風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而通過(guò)變頻器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。最終給出本文節(jié)能改進(jìn)方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,如圖4所示。

圖3　RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4　節(jié)能改進(jìn)方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3實(shí)驗(yàn)分析

本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象為新鄉(xiāng)市亞洲金屬循環(huán)利用有限公司年處理15萬(wàn)噸廢舊蓄電池綜合再利用項(xiàng)目中的制氧站系統(tǒng)。

首先本文通過(guò)在電腦上MATLAB仿真環(huán)境中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為100,初始權(quán)值為0,經(jīng)過(guò)多次迭代,計(jì)算一組較好的參數(shù)。

再將本文的節(jié)能改進(jìn)方法應(yīng)用在實(shí)際的制氧站系統(tǒng)中,將計(jì)算好的參數(shù)代入系統(tǒng)中,通過(guò)實(shí)際效果進(jìn)行對(duì)比,可以看出,通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)的引入,該制氧站系統(tǒng)不再一直保持工頻運(yùn)行,隨著生產(chǎn)線(xiàn)過(guò)程的變化,用氧量需求發(fā)生變化,羅茨風(fēng)機(jī)也在不斷調(diào)節(jié)速度維持緩沖罐壓力的平衡。最終,應(yīng)用了本文的節(jié)能改進(jìn)方法后,整套回收生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)能效率提高21.7%。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)廢舊鉛蓄電池回收生產(chǎn)線(xiàn)制氧站在生產(chǎn)過(guò)程用氧量下降時(shí)排氧量過(guò)多導(dǎo)致大量電能浪費(fèi)的情況,提出了一種節(jié)能改進(jìn)技術(shù)。引入變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速,同時(shí)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)與排風(fēng)風(fēng)機(jī)之間一個(gè)最優(yōu)的速度組合, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的改進(jìn)方法能夠在有效地減少制氧站的電能浪費(fèi)同時(shí)還能保證整個(gè)回收生產(chǎn)線(xiàn)的正常工作。

(責(zé)任編輯呂春紅)

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The Improvement of Energy Saving Technology Research of Oxygen Generation Station of Waste Lead-Acid Battery Recycling Production Line

MENG Xin-yuan,et al

(Department of Automation, Henan Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang 453000, China)

Abstract:The improvement of energy saving technology was proposed,which considered the production process with oxygen decrease when the oxygen discharge too much lead to waste a lot of energy,based on the oxygen generation station of waste lead-acid battery recycling production line.First according to the features of roots blower in the oxygen station, bring in the frequency transformer to realize stepless speed regulation, at the same time using the neural network algorithm to achieve the speed of an optimal combination between the ventilation fan and exhaust fan, finally do experiment in the MATLAB simulation and the actual environment. The experimental results show that the proposed method can effectively reduce the oxygen station electric energy waste and can guarantee the normal work of the whole recycling line.

Key words: oxygen generation station; roots blower;frequency control of motor speed;neural network