基于PLC的除塵器風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

南志文

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)于除塵器的使用越來越重視，除塵器的使用對(duì)于環(huán)境的保護(hù)顯得格外重要。傳統(tǒng)除塵器選用風(fēng)機(jī)是根據(jù)最大除塵量設(shè)計(jì)的，粉塵濃度在一定范圍內(nèi)變化，而風(fēng)機(jī)總是工作在額定功率，風(fēng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)行，累積風(fēng)量過大，造成大量電能浪費(fèi)，因此，對(duì)除塵器風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其達(dá)到高效節(jié)能的要求很有必要。本文針對(duì)上述要求設(shè)計(jì)了除塵器風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1 除塵器的運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)行概述

同煤集團(tuán)塔山電廠一期輸煤系統(tǒng)皮帶運(yùn)行時(shí)粉塵濃度較大，為了有效降低粉塵濃度，輸煤系統(tǒng)在T0、T1、T2 轉(zhuǎn)載點(diǎn)及煤倉間配備了多臺(tái)TDCC 型多管沖擊式除塵器。該型除塵器工作原理為含塵氣體由風(fēng)管進(jìn)入箱體內(nèi)，一部分粉塵顆粒被箱體內(nèi)的擋灰板阻擋落入水中除掉，剩余粉塵顆粒隨著氣流進(jìn)入聯(lián)箱，含塵氣體經(jīng)過送風(fēng)管以較高速度從噴頭外噴出，沖擊水箱液面撞擊起大量水滴，達(dá)到除塵目的。凈化后的空氣在風(fēng)機(jī)作用下由風(fēng)管排出。含塵氣體在整個(gè)過程中處在負(fù)壓工作狀態(tài)，液面高度由溢流閥和水位控制儀控制。

2 存在的問題

以T0轉(zhuǎn)載點(diǎn)除塵以器為例，該除塵器風(fēng)機(jī)系統(tǒng)選用的風(fēng)機(jī)為KKF-4-79 離心通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)全壓2 910 Pa，設(shè)計(jì)風(fēng)量14 400 m3/h，電機(jī)選用Y160M2-2-B35 型三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率15 kW，轉(zhuǎn)速2 900 r/min。

T0 轉(zhuǎn)載點(diǎn)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流較大，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大。此電機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)k1=5-7，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩kst=1-2。啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，會(huì)影響同一臺(tái)變壓器其他供電負(fù)載的正常工作。

T0 轉(zhuǎn)載點(diǎn)多管沖擊式除塵器風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電機(jī)總是工作在電機(jī)額定功率下，粉塵量與落煤管的形狀、落煤管與皮帶夾角、皮帶機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)的落差、散料顆粒大小有關(guān)。因此，粉塵量是在一定范圍內(nèi)不斷變化，粉塵產(chǎn)生和空氣流動(dòng)也存在一定關(guān)系，在運(yùn)輸散裝物料時(shí)，引起空氣流動(dòng)的主要原因是運(yùn)動(dòng)物料的誘導(dǎo)作用和設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件的鼓動(dòng)作用?？諝膺M(jìn)入防塵密閉罩后便從縫隙外逸，并攜帶大量細(xì)微粉塵，因此，科學(xué)合理地確定抽風(fēng)量是除塵器節(jié)能的關(guān)鍵。抽風(fēng)量過大，會(huì)抽走部分大顆粒物料，煤泥在箱體內(nèi)大量積聚，除塵器管路堵塞加重，除塵器用水量增大，維修成本增大；抽風(fēng)量過小，達(dá)不到除塵目的。以上分析發(fā)現(xiàn)除塵器風(fēng)機(jī)系統(tǒng)存在以下問題：

（1）除塵器啟動(dòng)電流較大，易對(duì)電網(wǎng)造成沖擊；

（2）除塵器風(fēng)機(jī)總是工作在工頻狀態(tài)，不能隨粉塵濃度變化而調(diào)速；

（3）除塵器風(fēng)量過大，有可能將較大顆粒物料吸入除塵器內(nèi)，造成除塵用水量加大，管路堵塞嚴(yán)重。

3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1系統(tǒng)組成

圖1 除塵器風(fēng)量調(diào)節(jié)

如圖1 除塵器風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括粉塵濃度傳感器、控制單元、除塵器風(fēng)機(jī)系統(tǒng)三部分。粉塵濃度傳感器主要完成導(dǎo)料槽口、落料口粉塵濃度的采集、處理、傳輸?？刂茊卧饕瓿煞蹓m濃度的測量值的處理、風(fēng)機(jī)調(diào)速的計(jì)算。

3.2 粉塵濃度傳感器

粉塵濃度傳感器的選擇包括傳感器位置、數(shù)量、選型、處理電路幾方面內(nèi)容。

3.2.1 粉塵濃度傳感器安裝位置、數(shù)量的選擇

除塵器主要是利用導(dǎo)料槽、導(dǎo)料管等密閉空間使其與外界形成負(fù)壓，從而使密閉空間的粉塵隨空氣流進(jìn)入除塵器箱體經(jīng)過水過濾達(dá)到除塵目的。除塵抽風(fēng)量的確定原則：保持導(dǎo)料槽、原煤倉等空間維持一定的負(fù)壓，控制開口處（導(dǎo)料槽出口、原煤倉落料口）的風(fēng)速保持在一定范圍內(nèi)，防止粉塵外泄[2]。因此，粉塵濃度傳感器的位置選擇在導(dǎo)料槽出料口、原煤倉落料口較合適，安裝在此處既可以有效測定導(dǎo)料槽粉塵是否溢出，又可以減少粉塵對(duì)傳感器干擾。如圖1，以T0轉(zhuǎn)載點(diǎn)為例，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)存在兩處開口處，因此選擇在導(dǎo)料槽出口處、落料口各安裝一臺(tái)粉塵濃度傳感器A、B。

3.2.2 粉塵濃度傳感器選型

根據(jù)粉塵濃度變化范圍等因素，此設(shè)計(jì)選用GCG500 型粉塵濃度傳感器，該傳感器由光散射檢測系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)和單片機(jī)組成。含塵氣流在抽氣系統(tǒng)的作用下，通過入風(fēng)口進(jìn)入光散射檢測暗室，激光源發(fā)出激光照射含塵氣流，探測器探測粉塵散射光強(qiáng)并將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大器放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，CPU 收到數(shù)字信號(hào)后將粉塵濃度值顯示在面板上，同時(shí)傳輸給PLC。

3.3 變頻器

風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量，其輸入功率大，且大量能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有變極調(diào)速、變頻調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速[2]。離心 風(fēng) 機(jī) 調(diào) 速 理 論 依 據(jù) 是 相 似 定 律 ：，由上式可知風(fēng)機(jī)風(fēng)量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，因此采用變頻調(diào)速即可調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。

3.4 PLC

風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制單元主要完成粉塵濃度傳感器A、B濃度的采集，變頻器的控制，因此選用PLC型號(hào)是西門子S7-200，它能夠滿足I/O點(diǎn)數(shù)需要，且有一定富余量，方便其他功能擴(kuò)展。S7-200 系列PLC 提供多種具有不同I/O 點(diǎn)數(shù)的CPU 模塊和數(shù)字量、模擬量I/O 的擴(kuò)展模塊供用戶選用，還配有許多專用的特殊功能模塊，PLC 程序設(shè)計(jì)采用梯形圖形式，把系統(tǒng)所需完成的功能模塊化，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單方便，程序易于修改，程序條理清楚，用戶容易掌握[3]。

3.5 系統(tǒng)工作原理

圖2 控制系統(tǒng)圖

用粉塵濃度傳感器檢測導(dǎo)料槽出口處粉塵濃度A、落料口粉塵濃度B，將結(jié)果通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量送入PLC 計(jì)算，計(jì)算結(jié)果以A、B兩個(gè)值較大值作為信號(hào)值，當(dāng)信號(hào)值大于粉塵濃度規(guī)定值，風(fēng)機(jī)開始工作，PLC根據(jù)采集的粉塵濃度值控制變頻器，從而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量。若粉塵濃度較大，應(yīng)提高風(fēng)機(jī)頻率，增大風(fēng)量；相反粉塵濃度小，說明負(fù)荷較小，應(yīng)降風(fēng)機(jī)頻率，減小風(fēng)量，使風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，將風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作方式分為工頻方式和變頻方式。兩種方式能夠通過選擇開關(guān)進(jìn)行選擇，選擇開關(guān)由變頻器反饋給PLC的故障信號(hào)觸發(fā)。工頻方式是指除塵器在輸煤皮帶運(yùn)行期間一直保持額定功率狀態(tài)，主要應(yīng)用在變頻方式出現(xiàn)問題時(shí)，變頻工作方式是通過檢測粉塵濃度來調(diào)節(jié)風(fēng)量的間歇式工作方式。當(dāng)系統(tǒng)工作在變頻方式下出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)檢測并給出故障信號(hào)，PLC 控制器收到故障信號(hào)后將自動(dòng)切換到原系統(tǒng)，避免了除塵器停用造成環(huán)境污染，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。系統(tǒng)在正常工作時(shí)，風(fēng)機(jī)在30 Hz～50 Hz 之間變頻運(yùn)行，在變頻狀態(tài)下有兩種調(diào)頻方案：自動(dòng)調(diào)頻和手動(dòng)調(diào)頻，調(diào)節(jié)變化量均為0.5 Hz。

為了有效控制除塵器啟停狀態(tài)，減小系統(tǒng)延時(shí)造成誤動(dòng)作，在導(dǎo)料槽外部、落料口安裝粉塵濃度傳感器。當(dāng)粉塵濃度傳感器檢測到粉塵濃度最大值超過規(guī)定值時(shí)，會(huì)發(fā)出檢測信號(hào)，然后PLC檢測除塵器風(fēng)機(jī)啟停狀態(tài)。當(dāng)除塵器風(fēng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，保持除塵器繼續(xù)運(yùn)行，根據(jù)除塵器風(fēng)機(jī)和粉塵濃度傳感器安裝位置風(fēng)管的長度，延時(shí)時(shí)間t1，若沒有檢測到超過規(guī)定值粉塵濃度，除塵器風(fēng)機(jī)停止工作；若再次檢測到超過規(guī)定值粉塵濃度則繼續(xù)運(yùn)行，完成下一次的除塵任務(wù)。當(dāng)除塵器處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，據(jù)除塵器風(fēng)機(jī)和粉塵濃度傳感器安裝位置間風(fēng)管的距離，再結(jié)合除塵器從啟動(dòng)到達(dá)到最佳工作狀態(tài)的時(shí)間，使除塵器延時(shí)t 2 啟動(dòng)。

4 改造后的系統(tǒng)

系統(tǒng)改造后，經(jīng)過一年時(shí)間運(yùn)行，以T0 轉(zhuǎn)運(yùn)站除塵器節(jié)能改造前后兩年運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)消耗電能對(duì)比，統(tǒng)計(jì)如

表1 T0轉(zhuǎn)運(yùn)站除塵器改造前后兩年消耗電量統(tǒng)計(jì)表

通過上表比較后發(fā)現(xiàn)除塵器風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻調(diào)速改造后，節(jié)省了大量電能，系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)到70%以上，節(jié)能效果良好。

改造后，管路堵塞率大幅減低，改造前檢修管路的周期為10次/月，改造后降低到2次/月；單臺(tái)除塵器用水量由改造前每日8 t降低到每日4 t。

5 結(jié)論

實(shí)施改造后采用的除塵器變頻運(yùn)行方式，減少了除塵器的無用功損耗，減緩了電機(jī)啟動(dòng)電流大對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，從而在降低能耗的同時(shí)又有效地延長除塵器風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的使用壽命，使系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)到70%以上，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)在相關(guān)設(shè)備上推廣節(jié)能新技術(shù)起到了重要的示范作用。