变频器在造纸工业中的节能应用.pdf

变频 器在 造 纸工 业 中 的节 能应 用 论 文与综 述 变频器在造纸工业中的节能应用 张玉宝 。 汤 伟 。 。 吕定云 1 ． 陕西科技大学造纸工程学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 2 1 ； 2 ． 陕西西微测控工程有限公司 ， 陕西 咸阳 7 1 2 0 8 1 [ 摘 要] 针对造纸 工业过程 中大量风机 、 泵类 负载 ， 分析 了变频调速 的节能原理 。介绍 了 AB B公 司 C AS 8 0 0变频器在燃烧炉引风机的应用， 对硬件组成、 软件设计等方面做 了详细论述 ， 结果表 明变频调速节能效 果显 著 。 [ 关键词] 变频器； 节能； 风机 ； 水泵； P L C 在能源 日益紧张的今 天， 能源的供需矛盾 已成为 制约我 国社会主义经济建设的主要因素之一 。造纸行 业存在着大量的风机 、 泵类负载 ， 是电力的主要消耗大 户 ， 这些电动机大多在较低的电能利用率下运行 ， 只要 将这些电动机电能利用率提高 1 0 ～2 0 ， 全年节约 电能将 相 当可 观 。 1 变频 调速 的节 能原 理 以碱 回收工段燃烧炉为例 ， 按照规定其送风机 、 引 风机 的风量裕度分别为 5 和 5 ～1 0 9 ， 6， 风压裕度 分别为 1 0 和 1 0 ～1 5 。设计过程 中很难计算管 网的阻力 ， 并考虑到长期运行过程 中发生的各种 问题 ， 通常总是把系统的最大风量和风压裕度作为选型的依 据 ， 但风 机 的型号 和 系列是 有 限 的 ， 往往 选 取不 到合 适 的风机型号时就往上靠 ， 裕度大于 2 0 ～3 0 比较 常 见 。因此这些风机运行 时， 只有靠调 节风 门或风道挡 板 的开度 来 满 足 生 产 工 艺 对 风 量 的要 求 。水 泵 运 行 时 ， 靠阀门的开度调节流量来满足供水要求 ， 工况与风 机相似 ， 靠调节风门或阀门的开度来调节风机风量 、 水 泵流量的方法称为节流调节 。在节 流调节过程 中， 风 机或水泵固有特性不变， 仅仅靠关小风门或阀门的开 度， 人为增加管路 的阻力， 因此增 大 了管路 系统 的损 失 ， 不利于 风 机 、 水 泵 的节 能 运 行 。采 用 变 频 调 速 方 式， 通过改变风机 、 水泵转速 ， 从而改变风机风量 、 水泵 流量以适应生产工艺的需要 ， 这种调节方式称为风机 、 水泵 的调 速控 制 。调速 控 制方 式可 以实 现风 机水 泵 的 无级调速 ， 并可方便地组成闭环控制系统 ， 实现恒压或 恒流量控制 ， 运行能耗最省 ， 综合效益最高。 收稿 日期 2 0 0 7 0 8 2 0 作者简介 张 玉宝 1 9 8 1 一 ， 男， 河北省保定 市人 ， 陕 西科技 大学化 工过程机械 专业在读研究生 ， 硕士； 研 究方向 制浆 造纸过程控 制， 工业 过程 高级控制 。 如图 1中， 曲线 1 为风机在恒定转速 n 下的风压 一 风量 HQ 特性； 曲线 2 为管路阻力最小时的阻力 特性 风门全开。假设风机工作在 A点效率最高， 此 时风压为 H。 ， 风量为 Q 1 ， 轴功率 N 与 Q1 、 H z的乘积 成正比， 在图 1中可用 A、 H。 、 0 、 O ． 1四点围成的面积表 示 。如果生产工艺要求风量需要从 Q1 减至 Q2 ， 这时用 调节风门的办法相 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 1中看 出， 风压反而增加 ， 轴功率 与 B、 H 、 0 、 Q。四点围成的面积成正比。显然， 轴功率 下降不大。如果采用变频调速控制方式， 风机转数 由 n 降到 n 。 ， 根据风机参数的比例定律 ， 画 出在转数 n z 风量 QH 特性 ， 如曲线 4 所示 。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。 随之 显著 减少 ，用 C、 H。 、 0 、 Q。四点 围成 的面 积 表 示 。节 省的功率 A N H1 一H。 X Q 2 ， 用 B 、 H1 、 H。 、 c四点 围成 的面积 表示 。很 显然 ， 采 用 变频调 速 ， 节能数 值很 可 观 。 H Hi l 乇 I -b 图 1 风机 、 泵类风压 H 风量 Q 曲线特性图 2变 频器 及 其调 速原 理 2 ． 1 结 构组 成 变频器是利用 电力半导体器件的通断作用将工频 电源变换成另一频率的电能控制装置 ， 一般变频器从 外部结构上看可分为三部分 操作面板 ， 包括显示屏和 维普资讯 2 0 0 8年第 1 期 黑龙江造纸 键盘 ； 主电路接线端子 ， 包括工频电网的输入端和接 电 动机的输出端； 控制端子， 包括外部信号控制变频器的 端子 、 变频器工作状态指示端子、 变频与微机或其他设 备的通信接 口等 。 变频器 内部则由主回路和控制回路组成 。给异步 电动机提供调压调频 电源的电力变换部分 ， 称 为主回 路； 控制电路由运算电路、 检测 电路 、 控制信号 的输入 输 出电路、 驱动电路和制动电路等构成。 2 ． 2 调速原 理 由电机理论可知 ， 异步电动机的转速可以表示为 n一6 0f l 1 一s ／ p 1 式中 ． 厂 一电机定子供电频率； P 一电机定 子的绕 组极对数 ； s 一转差率。由式 1 可知， 若均匀地改变定 子供 电频率 ， 则可以平滑地改变 电动机转速。然而 ， 只调 节 ．厂 是不行 的， 因为 厂 的升高或降低会 导致磁 通的减小或增大， 从而使电动机的最大转矩减小 ， 严重 时将导致电动机堵转 ， 或者使磁路饱和， 铁耗剧增 。为 此 ， 在调节 电源 频率 的 同 时 ， 要 调 节 电压 的大 小 ， 以维 持磁通的稳定 ， 使最大转矩不变 。 3 变频器在 碱 回收燃 烧炉 上的 应用 我们以内蒙古上都纸业为例说明变频调速在引风 机上 的应用 。 3 ． 1 工 艺简介 蒸发工段送来 的浓黑液进入 圆盘蒸发器 ，经过炉 膛烟气 的再 次蒸发 浓 缩 后 ， 经 黑液 喷枪 高 压 喷入 高 温 燃烧炉， 一二次风经预热器后按照一定的 比例从不 同 的入 口高度送入炉膛 ， 三次风直接被送入炉膛。在燃 烧炉中，麦草浆 中的有机物被充分燃烧掉 ，其中的碳 酸钠 、 硫化钠等无机物形成熔融物，熔融物送入溶解 槽 后形 成绿 液 ，最 后 被 送往 苛 化 工 段 进 行 苛 化 处理 。 黑液在燃烧炉内燃烧产生大量 的热量 ， 此热量使汽包 中的一部分水生成蒸汽，蒸汽送往分汽缸 ， 后被各工 段使用 。黑液燃烧产生的烟气依次经过圆盘蒸发器 、 静 电除尘 器 后通 过引风 机送往 烟 囱 。 在燃烧过程 中 ， 必须保证 炉膛 负 压在 一2 0 ～ 一 7 0 P a ， 这对稳定燃烧、 安全运 行最为有利。要稳定 炉 膛负压 ， 有两 种控制方案 一是 电动机 以工频恒 速运 转 ， 在引风管路上安装风门， 通过改变风门开度调节引 风量 ， 使炉膛负压稳定 ； 二是交流变频调速方案， 通过 变频器改变调节电动机供电频率 ， 改变电动机转速 ， 使 炉膛负压稳定。通过前面的分析明显可知 ， 方案二更 好 。 一 3 2 3 ． 2控 制功 能 实现 引风机由一台交流异步电机驱动， 电机铭牌数据 如下 额定功率 5 5 k w， 额定 电流 1 0 8 A， 额定 电压 3 8 0 V， 额定转速 1 4 8 0 r ／ mi n 。通过国内市场上多种变 频器性能和控制特点 比较 ， 并结合引风机的工作特点 和现实状况 ， 最终选择了 AB B公司生产的 C AS 8 0 0系 列变频器。这种变频器除了具有其他变频器的一般控 制功能外 ， 还具有 P I D控 制、 多信号输入、 睡眠功能、 设定值修正等多种控制功能。主电路 电源输入端接至 三相电源 A、 B 、 c， 变频器输出端按正确相序连接至三 相 电动机。主回路 中接地端子 P E正确接地 ， 可保证 变频器 的可靠性 和安全性。P L C选用 带有 P RO F I B US D P接 口的西门子 3 1 5 2 D P。 接线原理如图 2所示， 控制端子 X 2 1中 AI 1 接来 自P L C压力设定信号 0 ～1 0 V ， A I 2接实际压力检测 信号 4 ～2 0 mA 。A 0 1和 A 0 2分别为 电机转速和电 机 电流输出信号 4 ～2 0 mA 。X2 2端子 D I 3与 2 4 V 接 通 ， K1 ， K2分别 接 到 DI 5和 D I 6上 ， 分 别 为运 行 允 许和停止／ 启动信号， X 2 5 2 7中各端子分别接准备信 号、 运行信号和故障信号。AC S 8 0 0系列变频器有一 个 内置的 P I D控制器 ， 通过与压力传感器测得的炉膛 负压比较形成偏差信号 ， 变频器根据此偏差信号， 利用 自带的 P I D控制功能 ， 实现风机转速 调节 ， 使炉膛 负 压稳定 。 图 2控制原理接线图 3 ． 3睡眠功 能参数 设 定 要想正确使用变频器 ， 完全发挥其优越性能， 正确 设置参数尤为重要 。C AS 8 0 0系列变频器控制面板带 维普资讯 变频 器 在造 纸工 业 中的节 能应 用 有启动向导 ， 当用户第一次给变频器上电时 ， 启 动向导 会按最佳步骤引导用户完成整个 的调试过程 ， 用户不 需要先接受培训学习如何设置 哪些参数 ， 甚 至不需要 看手册 ， 就能独 自完成调试 ， 也不必担心会忘记设置某 些参数而影响启动 。这是非常人性化 的设计 ， 所 有的 操作都 由向导引导用户完成， 使用户不必查 看那些烦 琐的手册去研究必须先设置好 什么参数 ， 使 得变频器 使用起来非常简单 。下面我们以睡眠功能为例加 以说 明 。 C AS 8 0 0变 频 器具 有 P I D控 制 的 睡 眠 功 能 ， 这 可 避免电机工作在超低速 状态 ， 既可节 约 电能 ， 又可降 低对 电机 的损耗 。负 压控 制睡 眠功能 原理 当炉膛 负压达到一7 0 P a时 ， 为满足锅炉 正常 运行 的负压要 求 ， P I D控制器就要降低电机 的转速 ， 电机不会停 止 ， 而保持低速运行 状态 。由于管路存在 的 自然压力损 耗和低速运 行时 引风 机 的低效 率 ， 当睡 眠功 能检测 到这种低速运行 时， 经睡 眠延时后 ， 将停 止这种超低 速运转。在控 制 系统进入 睡 眠模 式后 ， 变 频器 仍然 处在监视炉膛负压状态． 当负压小于允许值 时 ， 并经 唤醒延时后 ， 则 重新启 动风机 工作 。其 睡眠控 制逻 辑关系如图 3所示。 在图 3中， 其有关参数设定及实际设定值如下 4 0 ． 2 1 睡 眠设 定 值 ， 如 果 电 机 速 度 低 于 此设 定 值 1 0 Hz ， 且在时间差 内大于睡眠延时时间 ， 则变频器 进入睡眠模式 ； 在睡眠模式下 ， 电机停止工作 。 4 O ． 2 2睡眠延时时间设定 2 0 s ， 当电机速度低于 睡眠速度设定值时， 计时器开始计时； 当电机速度高于 睡眠速度 时， 计时器复位 。 4 O ． 2 3睡眠功 能唤醒设 定值， 如果过程 实际值低 于设定值， 且时间长于唤醒延时时间， 则变频器就会唤 醒 。 4 O ． 2 4睡眠功能唤醒延时时 间， 当过程 实际值低 于唤醒设定值时， 计时器开始工作； 当过程实际值高于 唤醒值时， 计时器复位。其睡眠功能时序如图 4所示 。 图 3 睡眠功能逻辑关系图 注 t d - 睡眠延时设定时间值 ； t s m- 睡眠时间 ； t d w - 唤醒延时时间设定值 图 4 睡眠功能时序图 3 。 4 PLC和 变频 器 的现 场 总线通讯 传统的 P L C采用数字量和模拟量输 出， 点对点地 对变频器进行启动／ 停止 、 加减速 、 改变牵引方 向、 故障 复位等 ， 而 S 7系列 中的 3 1 5 2 D P中有 一个 p r o fi b u s 现场总线通讯接 口， 可通过此接 口与 AC S 8 0 0变频器 通讯 ， 交换数字化控制信息、 运行信息等。 采用现场总线通讯具有 以下优点 具有 较高的性价 比， 由于连接导线大 幅度减少 ， 使原来的几十根 ，甚至上百根控制 电缆减少到一根总 线电缆 ，从而也使接线端子 、 电缆等设计变得简单易 行 ； 系统性能大幅度提高，使控制 系统的智能化程度 档次跨越 了一个台阶， 可靠 的数据传输 ，快速的数据 响应 ，强大的抗干扰能力 。现场总线控制协议在信息 检验 、 信息纠错 、 重复地址 检测等方面都 有严格的规 定 ，从而确保现场总线通信快速、 完全可靠地进行 ； 系统具有强大 的自动诊断 、 故障显示功能 ， 诊断包 括变频器 的所有故 障、 通信故障、 控制电源故障，以及 现场装置 的温度传感器 、 电流传感器故 障，从而迅速 地发现系统中的各种故障位置和解决方法； 采用数字信号进行通信 ，有效提高 了系统 的测量 和控制精度 。 4 结 论 此系统 已顺利投入半年 ， 变频器引风机可 以非常 平滑稳定地调整引风量 ， 优化 了风机运行参数、 提高了 工作效率； 节能效果显著 ， 根据统计报表 ， 在系统运行 半余年时间内， 平均每月此风机耗电量为 2 8 1 1 0度 ， 如 果不 采用变频 控制 而采用 风 门控 制， 预计 耗 电量 为 3 9 6 0 0度 ， 故安装变频器后节电率约为 3 O ％。此外 ， 使 用变频调速还有以下优点 延长了电机 和风机 的使用 寿命 ， 一般引风机启动时间长 ，启动 电流大 约为 6 ～ 8倍 额定 电流 ，对 电 机 和 风 机 的 机 械 冲 击 力 很 大 ， 严重影响其使用寿命。而采用变频调速后 ，可以实现 软启动和软停止 ，几乎不产生 冲击 ， 大大延长了电机 一 33 维普资讯 2 0 0 8年第 1期 黑龙江造纸 和风机 的使用 寿命 ； 减少 风机 叶轮 和轴承 的磨损 ， 安装 变频 器调 速后 ，风机经 常在 比原来 额定 转 速低 的转 速 以下运行 ， 减少了风机 叶轮和轴承的磨损 ， 延长了风 机的大修周期 ， 节省了检修费用和时间。 但在调试过程中也发现 ， 使用时要注意以下问题 ， 这对保护变频器、 延长其使用寿命 、 发挥其优越性能很 重 要 。 在变频器工作时， 流过变频器的电流很大 ， 变频器 产生的热量也非常大， 不能忽视其发热所产生的影响 。 变频器的故障率随温度升高而成指数增长， 使用 寿命 随温度升高而成指数下降 ， 因此在使用变频器时应重 视散 热 问题 。在 设计 变 频 器 控 制柜 时 ， 要 充 分 考虑 变 频器发热值 的问题。应根据机柜 内产生热量值 的增 加 ， 适当增加机柜尺寸。 操作者必须熟 悉 AC S 8 0 0系列变频器 的基本原 理 、 功能特点、 技术指标等 ， 具有操作变频器运行 的经 验 ； 维护前必须切 断主电源 ， 并 至少等待 5 mi n， 待 中 Th e Ap p l i c a t i o n o f Ene r g y Co nv e r t e r i n Pu l p 间电路 电容 放 电完 毕 并进 行 确 认 后再 进 行 操 作 ； AC S 8 0 0系列变频器的原装控制电路板对静电放电极 其敏感 ， 当对变频器操作时 ， 为避免电路板的永久性损 坏， 必须采取有效的防静电措施。 避免 AC S 8 0 0系列变频器拖动的牵引电机动力电 缆与变频器 自身的控制电缆长距离平行走线 ， 以减少 变频器输出电压快速变化时产生的电磁干扰对控制电 路 的影响。当牵引电机电缆与控制电缆必须交叉走线 时， 安装角度应为 9 O 。 ， 动力 电缆的接地端子或控制电 缆的屏蔽层按要求 良好接地。 [ 参 考 文 献] [ 1 ] 韩 安 荣． 通 用变 频 器 及其 应 用 [ M] ．北京 机 械 工 业 出版 社 ， 2 0 0 3。8 ． [ 2 ] 黄立培 ， 张学． 变频 器应用技 术及 电动机调速 E M] ． 北京 人 民邮 电出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 王孟效 ， 孙 瑜， 汤伟 ， 等． 制浆造 纸过程 测控 系统及工 程[ M] ． 北 京 化学工业出版社 ， 2 0 0 3 ， 9 ． E 4 ] AC S 8 0 0使用手册． 北京 AB B电气传动系统有 限公 司． Co ns e r v a t i o n f o r Fr e q u e nc y ＆ Pa p e r I nd u s t r y ZHANG Yu ’ b a o ， TANG W e i ～，LV Di n g - y u n 1 ． C o l l e g e o f P a p e r m a k i n g En g i n e e r i n g ， S h a a n x i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，X 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a 2 ． S h a a n xi CI W E Pr o c e s s Au t o ma t i o n En g i n e e r i n g C o ． Lt d ．，Xi a n Y a n g 7 1 2 0 8 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th e e n e r g y c o n s e r v a t i o n p r i n c i p l e o f l o a d l i k e f a n a n d p u mp i n p u l p ＆ p a p e r i n d u s t r y i s a n a l y z e d 。t h e a p p l i c a t i o n o f CAS 8 0 0 f r e q u e n c y c o n v e r t e r i n i n d u c e d -- d r a f t f a n o f f u r n a c e i s i n t r o d u c e d，t h e h a r d wa r e c o n f i g u r a t i o n a nd s o f t wa r e de s i g n o f t h e s y s t e m a r e di s c us s e d i n d e t a i l ，t h e e ne r gy c o ns e r v a t i on r e s u l t of f r e q ue nc y c o nt r ol i S r e ma r ka b l e ． Ke y wo r d s f r e q ue nc y c o nv e r t e r ； e n e r gy c o ns e r v a t i on； f a n； p ump； PLC 上接 第 3 O页 些 造 纸厂 得 到 了广 泛 的应 用 。 目前 该 P L C控制系统在潍坊海龙集团等正在使用 ， 运行状况 良好 。 [ 参 考 文 献] [ 1 ] 廖常初． P L C编程及应用E M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 卜5 ． E z ] 吴中俊， 黄永红． 可编程序 控制 器原理及应 用[ M] ． 北 京； 机械 工 业 出版社 ， 2 0 0 4 ； 6 5 6 8 ． E 3 ] S I E ME NS Mi c r o Ma s t e r 4 4 0标准变频器使用大全E G ] ． 2 0 0 3 ， 1 2 ． [ 4 ] 沈锦 飞， 颜文旭． 基于 P I C的圆筒滚刀切 纸机精度优化控制E J ] ． 电气传动 ， 2 0 0 2 6 3 2 3 4 ． E s ] 李方 圆． 大型 纸厂 变频 器的 配置与 控制原 理 [ J ] ， 变频 器世 界 ， 2 0 0 4 6 8 8 9 2 ． Th e App l i c a t i o n o f PLC i n Pa p e r -- c u t t i ng a nd Pa p e r -- t r i m mi ng XI E De - y i ， W ANG Yu - we i S h a n d o n g I n s t i t u t e o f Li g h t I n d u s t r y，J i n a n 2 5 0 3 5 3， C h i n a Ab s t r a c t Thi s pa p e r m a i nl y d i s c us s e s t he c ha r a c t e r i s t i c s o f PLC，a nd t he f l ow o f pa p e r c u t t i n g a nd pa pe r t r i m mi n g，e x pl a i n s h ow t h e a u t o ma t i c c o nt r ol s ys t e m whi c h i s ma de u p b y PLC，HM T TD2 0 0 a n d t r a ns d uc e r ， wo r ks i n p a p e r c u t t i n g ma c hi n e a nd p a pe r t r i m mi ng ma c h i ne ．By u s i ng s p e e d c l os e d l o o p c o n t r ol ma d e u p b y c o d e r f e e d b a c k，Th e s y s t e m e n h a n c e s t h e d e g r e e o f a u t o ma t i o n a n d t h e e f f i c i e n c y o f p a p e r -- c u t t i n g a n d p a pe r t r i mm i n g ． Ke y wo r d s h u ma n ma c h i n e i n t e r f a c e ；P LC； p a p e r c u t t i n g ；p a p e r -- t r i mmi n g ；a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m 一 3 4 维普资讯