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變頻調(diào)速裝置在煤氣鼓風(fēng)機系統(tǒng)中的應(yīng)用

來源:上海徐吉電氣有限公司   2010年03月02日 11:28  

摘要:通過對煤氣鼓風(fēng)運行工況的分析,為解決“大馬拉小車” 的問題,應(yīng)用變頻調(diào)速裝置和PLC構(gòu)成風(fēng)壓閉環(huán)控制系統(tǒng),實現(xiàn)對煤氣鼓風(fēng)機風(fēng)量的自動控制,解決了“大馬拉小車” 的問題,達到了節(jié)能降耗的目的。
關(guān)鍵詞:可遍程序控制器  變頻調(diào)速  節(jié)能  鼓風(fēng)系統(tǒng) 
1   引言
    在電氣拖動設(shè)備的運行過程中,經(jīng)常遇到這樣的問題,即拖動設(shè)備的負荷變化較大,而動力源電機的轉(zhuǎn)速卻不變,也就是說輸出功率的變化不能隨負荷的變化而變化。在實際中這種“大馬拉小車”的現(xiàn)象較為普遍,浪費能源。在許多生產(chǎn)過程中采用變頻調(diào)速實現(xiàn)電動機的變速運行,不僅可以滿足生產(chǎn)的需要,而且還能降低電能消耗,延長設(shè)備的使用壽命。這里介紹的煤氣鼓風(fēng)機系統(tǒng)采用變頻調(diào),并應(yīng)用PLC構(gòu)成風(fēng)壓閉環(huán)自動控系統(tǒng),實現(xiàn)了電機負荷的變化變速運行自動調(diào)節(jié)風(fēng)量,即滿足了生產(chǎn)需要,又達到了節(jié)能降耗的目的。
2   工況分析
    鼓風(fēng)機系統(tǒng)構(gòu)成如下。
    (1)風(fēng)機型號:9-26,風(fēng)量:8588 ~ 10735m3/h,風(fēng)壓:10020~9630Pa。
    (2)電機型號:Y225M-2,功率:45kW,電壓:380V,電流:83.9A,頻率:50Hz,功率因數(shù):0.89,效率:2970 r/min。
    鼓風(fēng)機的特性曲線如圖1所示。
@gas_1.jpg

    通過對鼓風(fēng)機幾年來的恒速運動實際情況的記錄分析,鼓風(fēng)機系統(tǒng)運行規(guī)律如下:Z大負荷時的風(fēng)量為1600 m3/h,電機的電流為38A,運行時間1個月;一般負荷的風(fēng)量為950 m3/h,電機的電流為36A,運行時間9個月;Z低負荷時的風(fēng)量為500 m3/h,電機的電流為18A,運行時間2個月。由此可以看出,對于該鼓風(fēng)機來說,Z大負荷也不到額定負荷的一半,當(dāng)風(fēng)量下降時,用調(diào)節(jié)管道風(fēng)門的方法來改變風(fēng)道阻力,使功率下降不多,耗能仍很大,這由圖1可以看出。
    圖1中曲線1為風(fēng)機在恒速下調(diào)節(jié)風(fēng)門時的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性,曲線2為恒速下調(diào)節(jié)風(fēng)門時的功率-風(fēng)量(P-Q)特性,曲線3為管網(wǎng)風(fēng)阻(R-Q)特性。假設(shè)風(fēng)機在設(shè)計時工作在A點效率Z高,輸出風(fēng)量Q1。此時,軸功率P1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比(AH1OQ1為耗能),根據(jù)生產(chǎn)工藝要求,當(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2(例如50%風(fēng)量)時,如采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法調(diào)整風(fēng)量,相當(dāng)于增加了管網(wǎng)阻力,使管網(wǎng)阻力特性由曲線3變到曲線4,系統(tǒng)由原來的工況點A變到新的工況點B運行,盡管此時風(fēng)量由Q1減小到Q2,但風(fēng)壓反而由H1增加到H2,軸功率P2與Q2、H2的乘積面積BH2OQ2成正比,功率的減少并不多,可見耗能仍然很大。
    采用電氣傳動調(diào)速裝置來調(diào)節(jié)風(fēng)機電動機的轉(zhuǎn)速是實現(xiàn)經(jīng)濟地調(diào)節(jié)風(fēng)量、有效節(jié)能的Z佳方法。我們選用變頻調(diào)速裝置對原煤氣鼓風(fēng)機系統(tǒng)進行了改造,將電機恒速運行改為按負荷變化的變速運行,得到風(fēng)機合適的功率輸出,達到了節(jié)能降耗的目的。
3   風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能原理
    交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為
        n = 60f / p (1- s )    (1)
    由式(1)可以看出,電源頻率f與轉(zhuǎn)速n成正比。即改變頻率可改變電機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,由額定轉(zhuǎn)速n1調(diào)整到某一轉(zhuǎn)速n2時,理論上風(fēng)量、風(fēng)壓及軸功率變化的關(guān)系如下:Q2 = Q1 (n2 / n1),H2 = H1 (n2 / n1)2,P2 = P1 (n2 / n1)3??梢?,風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比,風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。由圖1可以看出當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速由n1降到n2,根據(jù)風(fēng)機參數(shù)的比例定律,在轉(zhuǎn)速n2下的風(fēng)壓-風(fēng)量特性如曲線5所示。 可見,在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下,風(fēng)壓H3大幅度降低,功率P3(相當(dāng)于面積CH3OQ2)明顯減小,節(jié)省的功率損耗 DP = P1-P2與面積BH2H3C成正比,節(jié)能效果十分明顯。所以,采用改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速的方法對風(fēng)量和風(fēng)壓進行控制是Z合理和經(jīng)濟的。
4   系統(tǒng)構(gòu)成
    對原有煤氣鼓風(fēng)機加裝變頻調(diào)速裝置,并且在鼓風(fēng)機系統(tǒng)出口的管道上安裝壓力變送器,測定管道的風(fēng)量變化,通過PLC對管道壓力信號的變換和處理,為變頻調(diào)速裝置提供參變量,實現(xiàn)對頻率的自動調(diào)整,也就是說對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整,以達到根據(jù)負荷變化調(diào)整輸出功率,節(jié)能降耗的目的。
    經(jīng)過比較,我們選用日本富士變頻器FRN45P9S-4,德國西門子公司可編程序控制器S7-200,組成風(fēng)壓變頻調(diào)速自動控制裝置,對原鼓風(fēng)機系統(tǒng)進行改造。
4.1  硬件組成
    系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2 所示。
@gas_2.jpg

各部分主要功能分述如下
(1)操作臺。實現(xiàn)系統(tǒng)操作控制及參數(shù)的設(shè)定與顯示。
(2)可編程序控制器。選用S7-200可編程序控制器及EM235模擬量I/O模塊,完成風(fēng)壓信號和操作信號可輸入以及PLC的控制輸出。
(3)變頻器。選用FRN45P9S-4變頻器,具有手動和自動調(diào)速功能。
(4)切換裝置。由繼電器、接觸器,開關(guān)等組成,實現(xiàn)1臺變頻器控制3臺鼓風(fēng)機的切換,以及在變頻器故障時鼓風(fēng)機的旁路工頻運行。
(5)壓力變送器。選用CECY型電容器式變送器,測定管道的風(fēng)量變化。
4.2  軟件框圖
    PLC軟件采用梯形圖語言,實現(xiàn)各種邏輯順序控制,風(fēng)壓閉環(huán)控制等,程序框圖如圖3所示。
@gas_3.jpg

在軟件設(shè)計中利用PLC定時中斷功能完成數(shù)據(jù)采樣,數(shù)字濾波,PID運算及控制輸出。
5   運行結(jié)果
    變頻調(diào)速裝置安裝投入運行后,風(fēng)門全部打開,在壓力為2200 Pa,風(fēng)量為600 m3/h,即可滿足生產(chǎn)要求。此時測得的系統(tǒng)參數(shù)如下:變頻器輸出頻率為25 Hz,電壓為189 V,電流為20 V;電機轉(zhuǎn)速為1485 r/min。實際運行工況在以下幾個方面有了明顯改善:?噪聲由80 dB降為40 dB左右;?風(fēng)量(壓力)控制自動化,降低勞動強度,故障率降低;?運行參數(shù)觀測直觀,可同時顯示壓力、頻率、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等運行參數(shù);?管道閥門全部打開,節(jié)門損失大大降低。 
6   節(jié)約電能計算
    采用變頻調(diào)速前全年總耗能為1.511×105kW·h,變頻調(diào)速后全年總耗能為4.53×104kW·h。采用變頻調(diào)速后全年節(jié)約電能為10.58×104kW·h。
    另外在投運變頻調(diào)速裝置后,根據(jù)運行工況測算,可延長修周期1~2年,每年可節(jié)約大修費用約2萬元。
7   結(jié)論
    實踐證明,在煤氣鼓風(fēng)機系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運行方式,可以根據(jù)負荷的變化自動調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,解決了“大馬拉小車”的問題,為降低生產(chǎn)成本,延長設(shè)備使用壽命,節(jié)能降耗,減輕勞動強度,改善工作環(huán)境開創(chuàng)了新的途徑。

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