热处理炉助燃风机变频自动控制节能研究与应用.pdf

OGY I NATf ON 工业 技术 热处理炉助燃风机变频 自动控制节能研究与应用① 汪定 态 山钢股份莱钢集团公司设备检修中心 山东莱芜 2 7 1 1 0 4 摘 要 本文主要对风机变频控制节能进行分析。 并通过修改P L C I [ 序及优化变频器参数， 利用较为先进的模糊P I D 控制技术， 实现助燃风 机 压 力和 流 量 自动控 制 。 关键词 熬处理炉 助格风机 模糊P I D 中图分类号 T F 5 7 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 - 3 7 9 1 2 0 1 4 0 8 c 一o 1 0 4 一o 2 En e r g y s a V i n g Re s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n o f Co mb u s t i o n Ai r Bl o we r Fr e qu e ncy Con t r ol i n He a t Tr e at me nt Fu r na ce S D S t e e l l a i wu b r a n c h e q u i p me n t ma i n t e n a n c e c e n t e r ． L a i wu S h a n d o n g ． 2 7 1 1 0 4 ． C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r ma i n l y a n a l y s i s t h e e n e r g y s 丑 v i n g o f f a n v a r i a b l e f r e qu e n c y c o n t r o l ， C o mb i n i n g o f mo d i f y i ng t h e P LC p r o gr a m a n d o p t i mi z i n g f r e q u e n c y p a r a me t e r s a n d a d va n c e d f uz z y P I D t e c h n o l o g y c a n r e l i z e a u t o --c o n t r o l o f p r e s s u r e a n d f l o w ． K e y Wo r d H e a t t r e a t m e n t f u r n a c e l C o m b u s t i o n a i r b l o w e r l F u z z y P I D ＼ 三相异步电机变频调速 技术以其卓越 的调速性 能， 显著的节 电效 果， 成为现代 电 力传 动技术的 一个发展 方向 。 风 机通过调 节风 门、 挡板 开度的大 小来调整 受控对象 的方法 ， 不仅控制精度受到限制 ， 而且还造 成大 量的能源 浪费和 设备损耗 。 随着 当今 图 1风机运行曲线 图 Q 社会市 场竞争 不断加剧 ， 采用变频调 速技 术对风 机类负载 进行改造 ， 已成 为必然趋 势 。 莱钢 热处理 线2 辊 底式热 处理 炉助 燃风机 采用 的是 离心式 风机 ， 原 设计通过 手动调节风机频率与 自动调节风机 入口百 叶 阀 门 开 启 度 相 结 合 的 方 式 来 控 制 风 机 出 口气体的流量和压力 。 虽控制手段简单 ， 但 控制精 度并 不高 ， 而且 部分 电能 损耗在百 叶 阀门 h， 变频器应用不合理 ， 造成能源浪 费 。 1 风机工作原理与变频节能分析 1 ． 1工 作原理 风机 内空 气的压缩过程通常是 经过 几 个旋转叶轮 在离心 力的作用 下实现的 。 当 电动机 转动 时， 风机 的叶轮随 着转动 ， 叶轮 图 2 变频 自动控制原理 图 图 3 模糊 P I D控制器结构图 在 旋转 时 产生 离心 力将空 气 从叶 轮 中甩 出， 空气从叶轮中甩出后汇集在机壳 中， 由 于速度慢 ， 压力高 ， 空 气便从通风机出 口排 出流入管道 。 当叶轮中的空气被排 出后 ， 就 形成 了负压， 吸气 口外 面的空气在 大气压 作用下又被压入叶轮中。 因此 ， 叶轮不断旋 转， 空气也就在风机的作用下， 在管道中不 断流动 。 理论上 ， 离心风机的压 力一流量特 性 曲线是 一条直线 ， 但 由于风机 内部存在 摩擦、 阻力等损失 ， 实际的压力与流量特性 曲线随 流量的增大而 平缓下降 ， 对应的离 心风机的功率一流量 曲线随流 量的增大而 上 升 当 风机 以 恒 速 运 行 时 ， 凤 机 的 工况 点 将沿压力一流量特性曲线移 动。 风机运行时 的工况点 ， 不仅取决干本身的性能， 而且取 决于系统的特性 ， 当管 网阻力增大时 ， 管路 性能 曲线将变陡 。 风机调节的 基本原理就 是通过改变风机本身的性 能曲线或外部管 网特性 曲线 ， 以得到所需 工况。 1 ． 2风机变频节能分析 从流体 力学原理 得知 ， 风机风 量与转 速 及电机功率 相关。 当风量减 少风机转 速 下 降时 ， 其 电动机输 入功 率迅 速 降低 。 例 如 风量 下降到8 0 ％时 ， 转速也下降到8 0 ％， 其 轴 功 率 则下 降 到额 定功 率 的 5 l ％； 若 风 量 下降到5 0 ％时 ， 轴功率 将下降 到额定功 率 2 0 ％。 采用变频调速 ， 改变风机电动机的输 入频率 从而改变 电动机、 风机转速 ， 达到调 节空气流量 的 目的 ， 既满 足生产工艺 变化 的要求， 又节省电能 ， 是一 举多得的最佳措 施。 下面由图1 说明其节电原理。 图 l 中 曲线 1 为风机 在 恒 定转 速n． 下的 风压一 风量 H Q 特性 曲线； 曲线 2 为管网 风阻特性曲线 风门全开 - 曲线 4 为变频运 行特性曲线 人 口阀门全开 。 假设风机工作在A点效率最高 ， 此时风 压为H， ， 风量为Q。 ， 轴功率N． 与Q． 、 H， 的乘积 成正 比， 在图中可用面积AH O Q． 表示 。 如果 生产工艺要 求， 风量需 要从Q． 减至Q， ， 这时 ①作者 简介 汪定态 1 9 7 O 一 ， 男 ， 安徽铜陵人 ， 工程 师， 大学 ， 主要从事 电气 自动化控制 及仪表维护工作 。 O 4 科技资讯 S C IE N C E ＆ T E C H N O L O G Y I N F O R MA T I O N 工 业技术 S C IE N C E＆T E C H N O L O G Y 表 1 助燃风机运行电耗记录 运行时段 测量记录时间 运行时间 耗电量 年耗电量估算 年节约电量 天 k Wh k Wh k Wh 改造前 6 ． 1 1 ～7 ． 1 O 3 0 l 0 0 4 0 0 l 1 0 4 4 0 0 1 4 4 1 0 0 改造后 7 ． 2 6 ～8 ． 2 4 3 0 8 7 3 0 0 9 6 0 3 0 0 用通过调 节入 口阀门的方法相当于增加管 网阻力， 使管网阻力特性变到曲线 3 ， 系统 由原 来的工况点A变到新的工况点B 运行 。 从图 l 中看 出 ， 风压 反而增加 ， 轴 功率与面 积BH． OQ ， 成正比。 显然 ， 轴功率下降不大。 如果采 用变频 器调速控制 方式 ， 风机转速 由n， 降到n ， ， 根据风机参数 的比例定律 ， 画 出在转速n ， 凤量 Q H 特性 曲线 4 。 可见在 满足 同样 风量Q， 的情况下 ， 风 压H 大幅 度 降低 ， 功率N， 随着显著减少， 用面积C H o q， 表示。 节 省的功率△N H， 一 H X Q ， ， 用面 积B H． H， C 表示。 显然 ， 节能的经济效果是十 分 明 显 的 。 2 助燃风机变频 自动控制实现 2 ． 1存在问题 根据 生产 工艺要 求 ， 操 作人 员手 动输 入一固定风机频率经验值， 在保持电机转 速恒 定的情 况下 ， 通 过 自动调 节风机 入 口 百叶 阀及主 风管放 散阀开 口度 ， 来调 节空 气的流量 和压力 。 现 场实际 控制存在 以下 问题 1 操作人员手动输入风机频率经验值 偏差 大 ， 压力 ， 流量调 节速 度慢 ， 调节 精度 差 。 2 入 13 百 叶阀电动执行机构 因频繁调 节 ， 易发热 ， 使其寿命大大 降低 。 3 百叶阀阀片易变形， 调节精度差， 造 成供风压 力不稳 ， 风机喘震 ， 严重时会造成 停 炉 事 故 。 4 变频器长期 运行在同一频 率下 ， 未 能充分发挥 变频节能作用 ， 节能效果差。 2 ． 2 自动控制方案 根据热处理炉工艺要求， 我们对助燃风 机的工作原理和工作特性进行 了深入分析 和研究 ， 并通过研究热处理炉P L C 控制程序， 确认将2 热处理炉助燃风机手动控制改为 变频 自动控制这一方案 。 解决方案如下 1 根据现场 压力、 流量反馈信号． 修改 自动 化P L C程序 ， 实现 了风机 由手动转变 为 自动 控制模式 的功能。 2 通过研究热处理炉助燃风机P L C 程 序， 采用中断的方式来执行模糊P I D 控制算 法 。 利用S T E P 7 实现智能算法选择适当的 P I D 参数。 通过改变P L C 中P I D 模块 中的P I D 参数 ． 优化电机转速控制给定值 3 优化变频器加减速时间， 过载能力 等参数， 改善变频器动态响应， 提高电机响 应速度。 经过 多次测 试和 参数 整定 ， 实现 了风 机由手动转变为 自动控制模式的功能， 达 到了助燃风机气体流量与压力自动调节的 目的 。 3 节能效果 此项 目改造 完成 后 ． 褒现 了热 处理炉 助燃风机 自动控制． 不仅助燃空气压力、 流 量调节速度快． 调节精鹰高， 而且提高了人 口百叶 阀电动执行机 构的使用寿 命， 确保 了热处理炉的稳定运行， 通过改造前后两 个 月的运行 比较 ， 节电率达到1 3 ％左右 ， 节 能 的经济效果显著 。 此改造 项 目自实施后 ， 年节约备 件约 l O 万元 ； 按一年3 3 0 个工作 日计算 ， 年可节 约成本； 1 4 4 1 O 0 X 0 ． 8 元 1 0 万元 2 1 ． 5 万 元 。 4 结语 通过热处理炉助燃风机变频 自动控制 节能改造， 提高了风机出口风压动态响应 速 度及空气流量 控制精度 ， 降低 了操作人 员的劳动量 ， 提 高了变频设备的利 用率 ， 自 改造 以来 ， 设备运行稳定 ， 具 有一定推广意 义 。 参考文献 【 1 】陈续强 ， 周玉兰 ， 侯荣芳 ， 等． 高 压变频 器在热风炉助燃风机上的应用【 J 】 ． 变频 器世 界 ， 2 0 1 3 6 ． [ 2 ]邓文慧 ， 桂卫华 ， 喻寿益 ． 基于模糊控制 的牵引电机冷 却风机变频 节能控制 系 统【 J 】 ． 计算技术与自动化 ， 2 0 1 2 4 1 ～ 5 ． 【 3 】桑宁， 李鹏翔， 王新娣 ． 加热炉风机电气 控制 系统 改造【 J 】 ． 冶金动 力， 2 0 1 0 4 1 61 7． 【 4 】刘曙光， 魏俊民 ， 竺志超 ． 模糊控制技术 [ M】 ． 北京 中国纺织出版社 ， 2 0 0 1 ． 上接 1 0 3页 深度 由小变大 ， 装置如 图1 。 图l 中 AB为供 电电极 ． MN为测 量 电 极 ， 它们对称 与观测点0布置。 3． 3实验情况及成果 在5 组模块制作完成后， 分别在模块固 结2 4 小时 、 7 2 小时 、 l 5 天后对模块进行 电阻 率测量 ， 实验结果如表2 、 表3 。 根据上表 ， 在模块 1 、 2 、 3 、 4 、 5 固 结2 4 t J , 时 后进行 测试 模块 电阻率值 ， 水泥 模块 中加 入水 玻璃 作用在于加快模块的凝 固速度 ， 适量的配比对加速凝固效果显著。 井下 实际施工 中注浆材料 配比 重量 ； 水 灰 水玻璃l l 0 ． 5 。 模块中加入水玻璃配 比不 同、 其凝固速度不同。 而在模块 固结7 2 小时 及l 5 天后 ， 模块 中水泥浆 液 中加入水 玻璃后视电阻率值约为纯水泥浆液的1 ／ 2 ～ i ／ 3 降低 。 实验横块干爆时间越长， 视电阻 率值越增加 约4 倍 。 4 结语 水玻璃一水泥混合浆液作为一种复合 型注浆材料 ． 在煤层底板含水层注浆改造 工程中被广泛使用。 在水泥浆液中加入水 玻璃后。 可能导致水泥混合注浆材料的电 阻率发生变化． 容易导致物探方法对工作 面 底板进行 岩层赋水 性探测时 ， 物探资料 解释极易形成误判。 通过实验表 明 水泥浆 液 中加入水玻璃后混 合凝 固体视 电阻率值 约为纯水泥浆凝 固体的I ／ 2 ～1 ／ 3 降低 I 且 实验模块干燥时 间越长、 水分越 少 ， 整体视 电阻率 值越大 。 明确 了水玻璃对水 泥混合 I 。 B l 力 A 2 ／4 南 B i B 2 B 3 ．M o N 图 1 对称四极 电测深装置 注浆材料 电阻率的影响 ， 有助于物探资料 解释时鉴别 低阻异常区的成 因 ， 防止把水 玻璃一 水泥混合凝 固体的低阻反应误判为 岩 层含 水区 ， 减少钻探、 注浆工程量。 参考文献 [ 1 】卢晨 ． 水玻 璃砂基础理论 的研究 [ D】 ． 上海 上海交通大学 ， 2 0 0 0 3 7 3 9 ． 【 2 】孔燕 萍 ． 外 加剂 对水 泥土 强度 的影 响 【 J 】 ． 土工基础， 2 0 0 5 ， l 9 3 7 l -7 2 ． [ 3 ]戴志成 ． 硅化合物的生产和应用[ M】 ． 四 川成都 成都科技大学 出版社 ， l 9 9 9 ． [ 4 ]朱纯熙 ， 卢晨 ， 季郭生． 水玻璃砂 基础理 论[ M】 ． 上海 上 海 交通 大 学 出版 社 ， 2 0 0 0． [ 5 】杜嘉鸿 ， 秦明武， 肖荣久 ． 国外化学注浆 教程【 M】 ． 北京 水利电力出版社 ， 1 9 8 6 ． 科技资讯 S C IE N C E ＆ T E C H N O L O G Y I N F O R MA T IO N 1 0 5