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变频调速在工业炉窑应用中的技术对策

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供稿:中国工控网 2016/3/28 16:04:55

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  • 关键词: 变频调速
  • 摘要:新一代变频器以其调速范围宽,运行安全可靠,电机噪声小,维护量小,维修费用低,且可大幅度节约电能,提高设备效率而日益得到较广泛应用,目前己呈现出变频调速取代直流调速的趋势。

  ChinaAcademicournalElectronicPublishin的变频器这无疑是变频器生产:技术国产化的标志,也变频调速是通过改变电动机定子供电频率进而改变电动机同步转速,从而实现交流电动机调整速的一种新兴电气传动方法。近二十年来,随着大规模集成电路与计算机技术迅速发展和现代自动控制理论在工业领域的广泛应用,现代变频调速技术己成为一门建立在电力电子学微处理机、电气传动和自动控制理论基础之上的新兴工程化技米在工业生产现场,新一代变频器以其调速范围宽,运行安全可靠,电机噪声小,维护量小,维修费用低,且可大幅度节约电能,提高设备效率而日益得到较广泛应用,目前己呈现出变频调速取代直流调速的趋势。

  1、普遍情况应该说我们国家在实施863计划以后,就十分重视交流电机变频调速技术的开发应用,如GB12479-90(三相异步电动机经济运行中推荐了两种节电效果显著的调速方式,即变频调速与绕线式电动机的串级调速应该看到:自从八十年代后期世界各大电气公司相继推出应用了CPU或DSP等高速运算器件,应用SPWM正弦脉宽调制方式与矢量变换控制技术的通用变频器,尤其是新一代电力电子器件IGBT用作变频器的功率模块以后,虽然进口变频器价格昂贵,变频调速技术仍然在我国不同行业的许多企业中获得应用,一般情况下都为应用企业获得了可观的经济效益。

  华为公司近来又开发出TD系列以IGBT为功率器件将对进口变频器的价格起到抑制作用。

  2、工业炉窑变频调速技术应用现状工业炉窑一般都要应用许多风机与泵,而且我国老企业用于工业炉窑与锅炉的风机大都采用定速运行,为满足工艺需求用风门挡板调节烟气流量(如引风机)或空气流量(如鼓风机),用在冷却水、循环水管网上的水泵也大都采用阀门调节流量况且在没有实现自动控制的情况下,为了追求生产流程的“可靠性”,这些风机与泵的负载率一般都较低,“大马拉小车”现象严重,因而电能浪费严重,节电潜力较大在一些老企业工业炉窑及锅炉的驱动装置上,还仍可见到滑差调速、调压调速、有级调速及整流子电机等这些低效调速方法与装置因而,目前变频调速技术在工业炉窑及锅炉上的应用前景还是很广阔的同时我们还应该看到:变频调速技术在工业炉窑等设备上的应用(应该使用的场合)远不如PLC广泛,这一则是由于以往变频器价格较高;更主要的是工业炉窑一般都是企业的重点生产设备,在本企业没有使用经验的情况下,现场的生产管理与设备管理人员大多不愿冒此风险;还有一点就是变频调速技术应用虽说目前在企业充其量只能算一个“新产品新技术应用”

  项目,但若在工业生产中以节电为目的应用或应用于自动控制系统,却要求项目的技术负责人了解电气传动技术的最新发展,熟知工业炉窑的生产工艺,还应有从事过程测试与过程控制的能力及实践经验,一般小项目中不容易聚集如此强的技术力量。

  3、工业炉窑变频调速应用的技术对策1做好项目的可行性技术论证,优化项目实施方案下面以笔者在炭素燃烧回转窑应用变频调速技术进行节电技术改造的实例,谈几点自己在实践中体会出的管窥之见与同行们交流。

  笔者所在的企业有两台Y1.6K36m炭素燃烧回转窑,原设计在回转窑余热锅炉烟道出口各安装一台Yh 12D引风机(其拖动电机Y315si 4型,铭牌功率110KW)该风机启动电流大,启动时间长;电动机额定电流197A,空载电流59.2~60A,回转窑正常锻烧时,电动机工作电流105A,负载率很低0.294);回转窑锻烧石油焦时的烟气流量靠安装于余热锅炉出口烟道的风门挡板来调节,正常工况时风门挡板开度只有20~36%,风门挡板用一台DK- 310型电动执行器控制开度,阀位电流保持在2重,节电潜力极大电气传动方式很落后,不但电机无可靠保护装置,且还“直接启动”。运行中挡板的维修量与维修费用也较大尤其是“窑尾负压”是保障回转窑及余热锅炉安全运行和锻烧工艺正常进行的关键参数,但改造前窑尾负压在窑头操作室却无显示,回转窑调温工只能凭经验由“窑头负压”来推测或凭动力分厂锅炉房的电话通知来操作而引风机开停时,调温工还需从窑头操作室下楼梯,到60米开外的动力分厂余热锅炉房去操作。

  1995年兰州连城铝厂把“变频调速节电技术应用”列为当年企业重点技术改造项目。项目组主要成员经现场测试与调研,提出了项目实施方案与可行性报告,在方案中将回转窑引风机等设备作为第一批实施对象由于工业发达国家电力电子技术发展日新月异,当时国内市场上进口变频器质量档次悬殊;因而在变频调速技术应用中,选用什么档次的变频器是项目成功与否的关键;因此,在变频调速技术应用可行性报告中,提出了(当时)本厂变频器选用原则,即只选用:以IGBT为功率模块应用32位CPU或DSP进行故障诊断和SPWM调制控制、应用了矢量变换控制技术的变频器。由于是本企业首次使用变频器,而且是在重点设备上使用,因而我们选择了当时在兰州地区科技实力较强、用户反应较好的兰州大学科技开发总公司与广州力得科技公司作为合作者。

  在进行了科学周密的项目前期准备以后,1995年9月我们分别为1回转窑引风机安装了一台富士5000系列FRN90P9S- 4E变频器(与广州力得合作),为21回转窑安装了一台FRN110P9S-4E变频器(与兰大合作)经调试投入运行后,系统稳定可靠,谐波污染小,功率因数高,电动机噪声明显减小;在确保回转窑正常锻烧工况的情况下,长达一月的考核运行记录显示:电机转速在400~660r/min保持;考核期内变频器的一次电流才4~ 9A(远低于电动机空载电流),节电效果非常显著。

   在项目考核期内,电度表显示的实际节电率达87.5%,经保守计算,仅直接节电效益,一年多即可收回项目全部投资在实施引风机变频调速的同时,在每台窑余热锅炉烟道出口均安装了一台电容式1151差压变送器,将窑尾负压在窑头操作室显示,从而回转窑调温工再没有必要仅凭经验由窑头负压推算窑尾负压,为炭素生产工艺管理提供了准确的生产过程监测数据4mA(槽型电流表量程可见电能浪费严iShin电室由低压电工维护窑头操作H了操纵台,我们将变频器安装于防尘效果极佳的变频柜内,并将变频柜配电柜安装在远离操作现场的变频器配重油,提回转窑h热效率ad直至九十年代国产的风嘴与ishingHouse.Allrightsreserved.

   从操纵台的设计中考虑了风机运行与回转窑锻烧时的各种情况,其面板上除操作按纽与转换开关外,有负压显示仪表、电流表、电压表及转速表等,还有信号灯与报警装置回转窑调温工只在操纵台上操作,如此操作安全方便从95年投运至今,除给变频柜更换过一台国产轴流风扇外,系统还从未发生过任何故障变频调速在回转窑引风机的技术应用,不但获得了可观的节电效益,而且明显地减小了电机与烟道风门挡板等附属设备的维修量与维修费用,同时改善了回转窑运行工况。

  这个工程对我们的启示是:对工业炉窑实施变频调速技术改造时,不能仅仅是进台变频器安装上了事,在项目的前期准备中一个必不可少的程序就是:要认真进行生产中的必要性、技术上的可行性与经济上的合理性诸方面的技术论证实施方案与改造结果还要对工业炉窑或实施变频调速技术的设备本体运行工况有所改善

  将变频调速技术应用于现场自动控制系统上述实例中的回转窑是锻烧设备,也是铝冶炼厂的主要设备回转窑对固体炭素材料(延迟石油焦与沥青焦)在中碎配料前进行高温锻烧的目的是排出其中的挥发份(主要是氢和甲烷)并使石油焦收缩,如铝用炭素材料锻烧后其残余挥发份含量不得超过0.15~Q2%(为避免炭阳极在焙烧时产生裂纹),通过锻烧还可降低炭素材料在空气中与氧的反应能力,还可提高其导电率与机械强度其生产工艺要求回转窑锻烧带温度保持在120(±50C,由于挥发份的热值较高,在充足供氧的情况下,挥发份充分燃烧所产生的热量足以满足工艺要求的锻烧带温度;但以往我国老式回转窑在生产中为了维持锻烧温度与保持窑内热平衡,不得不从窑头用喷枪向窑内锻烧带连续喷入重油,浪费很源,污染环境,而且锻烧质量也差。八十年代初笔者参与了所在企业应用DDF型仪表的“回转窑自动调温”项目(以锻烧带温度为反馈信号,控制喷油量),投运后实际效果不佳虽然后来笔者本人曾对该系统进行了许多优化工作,曾重新构建了“三冲量串级调节系统”,并把原来快开特性的调节阀改成具有近似等百分比流量特性的调节阀,但现场的操作工人与生产管理人员仍不愿意使甩直至84与85年笔者两次参观了贵州铝厂从日本引进的具有二三次风的回转窑,发现其只在点火阶段喷入重油而在锻烧过程基本不喷重池对照燃烧理论我才理解了:只要向窑内锻烧带不断送入空气,使锻烧时溢出的挥发份获得足够的氧气,能相对充分地燃烧,即可节约风嘴浇注料技术普及后,国内老式炭素锻烧回转窑才相继应用了二次风在上述的实例中若要进一步提高锻烧质量与工艺自动化水平,就应以物料平衡与能量平衡为目标函数,组成“最佳空气过剩系数自动控制系统”。

   但目前包括八十年代引进技术在内的国内炭素锻烧回转窑,都没有实现真正意义上的自动控制这其中的制约因素除现有的许多自动检测仪表(如成分分析仪表)不能“胜任”外,其附属设备的电气传动方式落后也是主要原因。因为,如果回转窑的驱动装置、给料系统与风机等执行机构没有实现变频调速时,全流程的自控系统往往很复杂,而且这种系统的动态响应一般也不隹但将变频调速应用于这些附属设备后,不但便于实现工序自动化,还可改善锻烧工况如笔者所在企业的回转窑驱动电机系ZS9-I型整流子电机,该电机属淘汰型设备,效率低功率因数低、调速范围窄,且电机为开启式结构,在生产现场故障率较高,运行中碳刷易磨损,维修量与维修费用都较大,体积庞大,不便于检修;最致命弱点却是其最低转速350r/min,总减速比291.42,则窑体的最低转速为1. /min,而工艺上为保证锻烧质量要求窑体最低转速<0.8r/min;可见这种整流子电机过窄的调速范围会影响锻烧质量。原计划在98年选用YB280H电机配用FRN37G9S-4E变频器对整流子电机进行改造,后因种种原因没有实施以往国内许多回转窑的驱动电机都使用整流子电机,直至目前只有部分企业对其实施了变频调速技术改造有专家把工业自动化系统分为:企业管理级、生产管理级、过程控制级、设备控制级和检测驱动级这5级,可见目前以交流电机变频调速为代表的电气传动属于最基础的现场自动化体系。

   在当今网络经济时代,单一的变频器推广对多数企业己无吸引力这里一方面应将变频调速技术与PLC,自动控制理论以及计算机技术相结合,组成能彻底改善工业炉窑进行工况的自动控制系统;另一方面在工业炉窑自动控制系统中,在需要调速或需要调节流量时,尽可能使用变频调速技术4网络经济对工业现场自动化提出了更高的要求当我们还仍在为产量产值、企业规模这些指(下转第477页)性,将3D图形设计技术融入系统界面,给用户提供了接近实景的操作环境,大大提高了系统的易用性,这充分表明了S600系统的技术先进性。

  系统于1999年8月和12月通过了夏季和冬季验收,验收时控制精度超过设计指标,达到温度±。

  湿度±1%.英方对工程的评价是:“该系统优于劳斯莱斯公司目前所有同类型系统,给人以深刻的印象”


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