基于變頻傳動多段速技術的除塵風機控制系統

陳 鈞

(濟南鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 250101)

1 引言

隨著環保政策的力度不斷加大，原來眾多金屬及非金屬加熱或熱處理的中小爐窯，粉散料受配料倉口，鑄造及電氣焊金屬材料加工行業等等小量溢塵口處的煙塵、灰塵、粉塵的采集凈化處理，亦是迫在眉睫。該類分布式多采集口位的除塵凈化系統還受到爐窯加熱工藝或產品訂單的影響而導致采集口位數量變化較大，反映在除塵風機電機上就是幅度較大的負荷增減。加之共用的除塵凈化系統風機電機要長期運行，因此在滿足除塵系統對風速風壓一定的要求以保證除塵凈化效果外，節能降耗亦是重要指標。基于變頻傳動多段速技術的除塵風機控制系統，以不同爐窯生產工況適時自動啟動風機電機運行于不同的速度，既保證了除塵凈化效果，又避免風機電機一直高速運行，可節約電能30%左右[1]。

2 除塵系統設備組成

推板式電加熱煅燒爐需要在進出口分別設置兩套煙灰塵采集口，兩套加熱爐布置于一架廠房內，各自的裝卸料處分別設置兩套除塵采集口，兩套爐體上方分別設置車間廢氣塵凈化采集口。由于所產生煙氣灰塵總量不是很大，且受生產訂單和煅燒爐加熱工藝影響，煙塵總量波動較大。因此共用一套除塵凈化系統，一次性投資較小，為首選方案。合計該套除塵凈化系統總共需設置煙灰塵采集口14套，每套采集口總管設置帶開啟/關閉位置信號反饋的電動閘閥一套，由控制系統根據生產實際工況和具體操作要求控制該處采集口的啟用和關閉。各采集口管道匯總后依次接入設備有重力旋流除塵器，脈沖反吹式布袋除塵器，除塵風機及其電機(280 kW)，凈化氣體排出煙囪等。受生產訂單影響和加熱煅燒工藝的不同要求，兩套煅燒加熱爐分別存在同時生產，同時保溫，一生產一保溫，一生產一烘爐等不同作業工況。為保證加熱煅燒爐煙塵氣除塵凈化效果，每套采集口要根據生產實際，進行啟用或關閉，以保證每套采集口處保持一定的風速和負壓，不致發生煙塵外溢。出于節能降耗考慮，進行除塵風機電機轉速調節控制，根據生產實際或加熱工況使之對應一定的速度運行而避免長期高速輕載、空載運轉。

3多段速變頻傳動除塵風機控制系統構成及其功能

多段速變頻傳動除塵風機控制系統由PLC控制柜和變頻控制柜等組成。PLC控制柜完成兩座電加熱煅燒爐工藝工況狀態檢測，根據工況判斷采取相應的除塵系統煙塵采集口啟閉和風機電機對應速度控制。變頻控制柜由風機電機變頻器主回路配電線路和控制信號接入及報警指示回路組成。脈沖自動控制反沖閥和采集口管道閥設置于現場除塵器或管道，其控制器布置于PLC控制柜。自動卸灰閥和自動調溫閥控制裝置設置于變頻控制柜。

3.1 PLC控制除塵采集口啟閉數量與風機電機變頻傳動速度調節原則

為穩定各個除塵采集口的風速風壓，避免工況轉變而要求風機速度相應變化時，產生波動導致采集口溢煙揚塵，升溫控制流程見圖1煅燒加熱爐除塵控制流程圖，降溫或停止進出料操作時，順序反之。

圖1 煅燒加熱爐煙氣除塵控制流程圖Fig.1 Control flow chart of flue gas dust removal in calcined heating furnace

PLC控制柜功能完成電加熱煅燒爐一系列工藝操作的識別判斷，由PLC控制程序自動輸出相應指令，控制除塵系統運行于要求的工作狀態，無需專人另行操作。但除塵控制系統另有就地操作控制模式，用于設備調試和檢修維護。電加熱煅燒爐具體工況與除塵系統風機電機速度控制多段速技術要求原理示意見圖2，其實際控制信息由PLC控制系統檢測到加熱爐控制操作信號后結合前述速度控制流程給出。其中，電加熱煅燒爐保溫待料或保溫待訂單的工藝狀態視同烘爐工況。將煅燒爐工藝工況簡單歸納為烘爐和生產兩種類型，兩爐的不同工況及其組合狀態(本應用現場總計四種工況工藝狀態)作為除塵風機電機變頻傳動多段速控制的工藝要求，分別予以實現運行于不同速度，達到確保煙氣凈化效果和節能降耗目的[2]。

圖2 除塵風機電機變頻傳動多段速工藝工程控制示意圖Fig.2 The schematic diagram of multi section speed process cotrol for frequency conversion drive of dust fan motor

3.2 變頻控制柜器件組成及其功能

變頻控制柜核心器件為控制風機電機的變頻器，其配電主回路有斷路器、接觸器、負荷電纜、電動機。若電動機功率較大時，為改善電機運行對低壓電網功率因數不利影響，可在變頻器直流環節串接直流電抗器，視低壓配電電網情況而定。不用時應用變頻器原配短接環或自制短接線連接變頻器直流環節外部輸出的兩端子，截面不宜低于電動機負荷電纜芯線。有停機速度要求的場合還要加裝制動單元和配套制動電阻，進行相應制動阻耗功能設置。

變頻器控制輸入輸出回路，完成控制和報警信號的接入接出，結合相應功能設置，實現多段速速度控制和運行及報警指示。變頻器運行和報警異常指示信號分別在電加熱煅燒爐主控室和除塵系統就地控制箱，予以顯示，方便加熱爐操作人員和設備巡檢人員觀察。電動機負荷電流觀察顯示表應設在主控室，為避免遠距離信號傳輸帶來的信號干擾，影響實際運行電流的有效準確顯示，采用帶金屬屏蔽層的雙絞線信號軟電纜，能夠杜絕應用現場復雜的各類電磁信號干擾。變頻器多段速速度控制原理圖見圖3。

圖3 除塵風機電機變頻傳動多段速控制技術原理圖Fig.3 Technical principle of multi speed control for frequency conversion drive of dust fan motor

3.3 變頻傳動多段速控制技術的實現

控制系統檢測到電加熱煅燒爐的相應操作指令后，由PLC進行判斷綜合兩座煅燒爐工況狀態，以只有一爐烘爐(含保溫)為除塵風機電機啟動，輕載運行；兩爐均烘爐(含保溫)，除塵風機電機低速運行；一爐烘爐(含保溫)，另一爐生產，除塵風機電機中速運行；兩爐均生產，除塵風機電機高速運行。當生產工況或煅燒爐狀態發生變化，需要除塵風機電機由低速升到高速時，PLC控制系統先發出多段速指令給變頻器，執行提速。然后再給相應的除塵采集口管道電動閥發出命令，最后發出的是控制爐溫(由保溫改生產或是由檢修改烘爐兩種情況)升高指令。工藝生產降溫減塵要求除塵系統風機降速的工況時，控制指令執行順序反之。這樣，能夠確保系統控制速度調節變化的瞬間，采集口處不致發生煙塵外溢。

PLC控制系統輸出的多段速控制信號經過DC24V中間繼電器轉換后(防止線路直接連接變頻器容易造成的信號線路耦合干擾)，再結合變頻器相關功能參數設置，最終實現多段速控制技術[3]。多段速控制信號接入變頻器開關量控制輸入端子，其中的DI1信號作為變頻器啟動并輕載運行信號，在除塵凈化系統整個運行過程中，信號有效，可兼做變頻器使能信號，變頻器由停止或待命狀態啟動并運行在15 Hz。其他的低速25 Hz,中速35 Hz和高速50 Hz都是經過現場調試確定的，分別接入DI2，DI3，DI4控制端子。可根據具體應用場合、不同速度檔位要求和煙塵量以及除塵凈化效果調試修改而定，還應考慮避免與機械設施設備形成共振，避開共振頻率點設置。相應的多段速控制技術變頻器功能和參數設置見表1。經過調試確定的煙氣除塵凈化系統，能夠跟隨生產主線設備工藝工況變化自動控制調節，不需設專人操作，有人定期巡視維護即可[4]。節約大量電能，而人力成本增加極少，非常有利于中小企業發展。

表1 除塵風機電機變頻傳動多段速控制功能與參數設備

4 結語

基于多段速技術的變頻傳動除塵風機控制系統，能夠滿足多套中小爐窯受工藝或產品訂單限制導致的同時或分時負荷生產而對除塵凈化系統的不同要求。并且控制系統一經調試完成后，杜絕了人工調速對除塵效果所產生的不良影響，而且該控制系統移植性好，可廣泛應用于爐窯領域、受配料倉口、鑄造行業及金屬材料加工等分布式多點位有除塵凈化要求的工礦場合。