變頻調(diào)速恒量供氣在雙膛豎窯中的應(yīng)用研究

南國(guó)英

(山西太鋼工程技術(shù)公司，山西 太原 030003)

1 概述

氣燒并流蓄熱式雙膛豎窯具有節(jié)約能源的功能，為了更好地將雙膛豎窯的節(jié)能功能發(fā)揮到最佳效果，就需要有高效、穩(wěn)定的燃燒控制系統(tǒng)。為了提高燃燒控制系統(tǒng)的高效性、節(jié)能性，雙膛豎窯燃燒控制系統(tǒng)放棄常規(guī)的管道閥門調(diào)節(jié)控制，而是采用了更節(jié)能、高效的變頻調(diào)節(jié)控制[1-3]。雙膛豎窯燃燒控制系統(tǒng)中用到的變頻器的風(fēng)機(jī)有煤氣加壓機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)和廢氣除塵風(fēng)機(jī)。其中，煤氣加壓機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)選用的是羅茨風(fēng)機(jī)，廢氣除塵風(fēng)機(jī)是脈沖布袋除塵器選用的是離心式通風(fēng)機(jī)。每座雙膛豎窯由于設(shè)計(jì)的產(chǎn)能不同，選用的風(fēng)機(jī)送風(fēng)能力不同，造成選擇的風(fēng)機(jī)數(shù)量不同，因此選擇的變頻器也不盡相同。本文以現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的600 t/d氣燒雙膛豎窯來(lái)闡述變頻調(diào)速在恒量供氣中的應(yīng)用。

2 風(fēng)機(jī)工作原理

羅茨風(fēng)機(jī)屬于容積式回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)有2個(gè)三葉葉輪(如圖1)，在電機(jī)帶動(dòng)下，2個(gè)葉輪會(huì)相向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)過(guò)進(jìn)氣口之后，2個(gè)葉輪和墻板及機(jī)殼之間會(huì)形成一個(gè)密封的腔室，葉輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，密封腔室里面的氣體會(huì)被壓入排氣口，如此反復(fù)將氣體經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口和排氣口輸送至目的地，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)送風(fēng)的目的。在恒速運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)之后，風(fēng)量基本不會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)前方壓力稍有變化時(shí)，也能夠持續(xù)恒風(fēng)量進(jìn)行氣體輸送。當(dāng)風(fēng)機(jī)速度變化時(shí)，風(fēng)量也隨之變化。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)量成正比[3]。

圖1 羅茨風(fēng)機(jī)具體的工作原理流程

3 恒量供氣內(nèi)部PID調(diào)節(jié)原理概述

第148頁(yè)圖2為石灰窯恒量供氣系統(tǒng)圖，該系統(tǒng)變頻器為電機(jī)提供了可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使供氣量連續(xù)變化。流量傳感器用來(lái)檢測(cè)管網(wǎng)供氣流量。熱值儀用來(lái)檢測(cè)煤氣瞬時(shí)實(shí)際熱值Q測(cè)。PLC控制單元根據(jù)石灰窯產(chǎn)量(T,t)和熱值儀測(cè)的煤氣瞬時(shí)實(shí)際熱值Q測(cè)為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的每個(gè)煅燒周期(t/min)內(nèi)煤氣的瞬時(shí)流量V煤(Q/Q測(cè))和瞬時(shí)空氣量V空的風(fēng)量期望值。經(jīng)PLC控制單元內(nèi)部PID控制程序計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而調(diào)整煤氣加壓機(jī)和助燃風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變煤氣加壓機(jī)和助燃風(fēng)機(jī)流量，使每個(gè)煅燒周期風(fēng)量保持恒定[4-5]。

圖2 石灰窯恒量供氣系統(tǒng)圖

4 變頻調(diào)速在石灰窯恒量供氣中的應(yīng)用

新疆某石灰窯項(xiàng)目，石灰產(chǎn)量為：400 t/d～600 t/d，需設(shè)計(jì)供氣系統(tǒng)，保證石灰窯能夠正常生產(chǎn)，并注意節(jié)能和系統(tǒng)成本的最優(yōu)化，采用變頻恒量供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)此項(xiàng)目。

4.1 設(shè)計(jì)思路及元件選擇

在變頻恒量供氣系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：

管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，計(jì)算管網(wǎng)的阻力和管道直徑。

選擇流量控制點(diǎn)，不同的流量控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的設(shè)備初始投資和管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用，應(yīng)按技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)行選擇。

選擇羅茨風(fēng)機(jī)：主要考慮兩方面：1)流量要求，應(yīng)能滿足石灰窯每個(gè)煅燒周期內(nèi)的風(fēng)量需求。2)壓力要求，應(yīng)滿足石灰窯正常生產(chǎn)時(shí)的管道壓力和窯內(nèi)壓力。3)轉(zhuǎn)速要求，應(yīng)滿足1 t以下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)該在2 000 r/min以下，1 t以上的控制在1 000 r/min～2 000 r/min，口徑200 mm以上三葉、兩葉風(fēng)機(jī)要在1 000 r/min以下，選擇中低轉(zhuǎn)速，避免高轉(zhuǎn)速，這樣才能使風(fēng)機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。

風(fēng)機(jī)的數(shù)量：按照每臺(tái)風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量、石灰窯系統(tǒng)最大用風(fēng)量和合適的備用風(fēng)機(jī)量進(jìn)行選擇，一般情況下選擇3臺(tái)煤氣加壓機(jī)，5臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)。

變頻器的選擇：在滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求的前提下，按照羅茨風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率,選擇變頻器的功率。

變頻器的數(shù)量：根據(jù)工藝要求煤氣加壓機(jī)2臺(tái)同時(shí)工作才能滿足要求，故選擇3臺(tái)變頻器(2用1備)；助燃風(fēng)機(jī)則選擇2臺(tái)變頻，3臺(tái)工頻。

4.2 變頻恒量供氣系統(tǒng)(FC302變頻器)的主回路和控制回路(見(jiàn)圖3和第149頁(yè)圖4)

圖3 變頻恒量供氣系統(tǒng)的主回路

圖4 變頻恒量供氣系統(tǒng)的控制回路

4.2.1 變頻器變頻恒量供氣系統(tǒng)以FC302變頻器為例端子功能設(shè)置(見(jiàn)第149頁(yè)表1)

表1 變頻恒量供氣系統(tǒng)端子功能設(shè)置

4.2.2 運(yùn)行方式

該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式：

4.2.2.1 手動(dòng)運(yùn)行

選擇手動(dòng)模式時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)操作箱(AW)面板上將風(fēng)機(jī)電機(jī)和風(fēng)機(jī)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)選擇開(kāi)關(guān)QT、QT2都旋轉(zhuǎn)至就地，此時(shí)，按下風(fēng)機(jī)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)(先啟后停)啟動(dòng)按鈕SF，接觸器KEM吸合，風(fēng)機(jī)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，然后按下風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)按鈕S2，然后將加減速開(kāi)關(guān)QT1旋轉(zhuǎn)至加速位，風(fēng)機(jī)加速，要停止時(shí)可以將加減速開(kāi)關(guān)QT1旋轉(zhuǎn)至減速位，直至風(fēng)機(jī)停止，再按下停止按鈕S0停止變頻器輸出，最后按下風(fēng)機(jī)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)停止按鈕SS停止冷卻風(fēng)機(jī)。用該步驟可以啟停不同的風(fēng)機(jī)。該方式主要供檢修及變頻器故障使用。

4.2.2.2 自動(dòng)運(yùn)行

選擇自動(dòng)模式時(shí)，將主回路開(kāi)關(guān)QF、QF1合閘，控制回路開(kāi)關(guān)QF2合閘送電，現(xiàn)場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)電機(jī)和風(fēng)機(jī)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)操作箱(AW)面板上選擇開(kāi)關(guān)QT、QT2都旋轉(zhuǎn)至集中(遠(yuǎn)程)，風(fēng)機(jī)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行接觸器KEM得電吸合，冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。主回路正常、控制回路正常、冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行，由上位機(jī)通過(guò)ProfiBus總線給變頻器下達(dá)啟動(dòng)命令，并將變頻頻率預(yù)設(shè)值下達(dá)PID調(diào)節(jié)器，變頻器輸出頻率從0上升，到達(dá)PID調(diào)節(jié)器預(yù)設(shè)值，同時(shí)PLC接收到來(lái)自流量傳感器和熱值儀的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算與給定熱量參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如熱量不夠，則頻率上升，如熱量超出預(yù)設(shè)值，則頻率下降，使系統(tǒng)熱量供應(yīng)平穩(wěn)運(yùn)行。變頻運(yùn)行時(shí)，控制回路中Ralay1閉合，接觸器KA1得電，KT1復(fù)位。

停機(jī)時(shí)，上位機(jī)下達(dá)停機(jī)命令，變頻立即停止輸出，風(fēng)機(jī)慣性停車，Ralay1斷開(kāi)，接觸器KA1失電，KT1開(kāi)始延時(shí)計(jì)時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)在15 min后停止運(yùn)行，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

4.2.3 保護(hù)

當(dāng)冷卻風(fēng)機(jī)過(guò)熱時(shí)，熱繼電器KH跳閘，KEM控制回路斷電，冷卻風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，變頻器有故障信號(hào)輸入，變頻器停止輸出，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。

4.3 故障處理和維護(hù)方法

當(dāng)出現(xiàn)缺相、變頻器故障、熱值不達(dá)標(biāo)等情況時(shí)，系統(tǒng)皆能發(fā)出聲響報(bào)警信號(hào)，特別是當(dāng)出現(xiàn)缺相、變頻器故障、熱值不達(dá)標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)停機(jī)，并發(fā)出聲響報(bào)警信號(hào)，通知維修人員前來(lái)維修。

在風(fēng)機(jī)數(shù)量等條件滿足開(kāi)窯條件時(shí)，中控室可以繼續(xù)開(kāi)窯生產(chǎn)，同時(shí)維修人員維修故障設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

變頻調(diào)速系統(tǒng)在恒壓供氣方面，無(wú)論在工程初期的投資，生產(chǎn)運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且節(jié)能效果顯著，在實(shí)際中被證明是目前最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，越來(lái)越得到廣泛的大量應(yīng)用。