罗茨风机流量控制算法的实现与应用.pdf

7 5 4 化工自动化及仪表 第 3 8卷 罗茨风机流量控制算法 的实现与应 用 马兵建 新疆石河子汇业信息技术有限公司， 新疆 石河子 8 3 2 0 0 0 摘要介绍 了三叶 罗茨风机 的工作原理 、 流量控制 原理 以及使 用几何方 法求解指定转速 下流量的过 程 。给 出了实际应用方法 ， 并针对文 中相应的公 式给 出了具体的 S T L语 言实现过程。 关键词罗茨风机P L C S T L语言 中图分类号T P 2 7 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 0 3 9 3 2 2 0 1 1 0 6 - 0 7 5 4 -0 3 罗茨风机以其升压高 、 流量大的特性在工业 应 用 中占有非 常 重要 的地 位 ， 但 是 目前 多数 罗茨 风 机都是 采用 直 接启 动或 软启 动 驱 动 的方 式 ， 这 种方式使系统操作维护简单但不节能。变频器驱 动罗茨风机已经渐渐成为罗茨风机的主要驱动方 式。笔者就变频器驱动罗茨风机流量控制提出一 种算法， 根据罗茨风机的流量特性在 P L C中实现 了罗茨 风机 的出 口流量控 制 。 1 罗茨风机 简介 罗茨 风机 为容 积式 风 机 ， 输 送 的风 量 与 转数 成 比例 ， 在同步 齿 轮 的带 动 下风 从 风机 进 风 口沿 壳体 内壁输 送到排 出 的一 侧 图 1 。风 机 内腔不 需要润滑油 ， 结构简单、 运转平稳、 性能稳定 ， 适应 多种用途 ， 其应用遍布污水处理 、 烟尘脱硫 、 物料 输送 、 瓦斯及易燃易爆气体输送 、 重油喷燃及高炉 冶炼等领域 。 图 1 罗茨风机 工作 原理 图 罗茨风机有两叶和三叶两种结构 ， 目前使用 控制的间隙实现密封 ， 故排 出的气体不受润滑油 最 为普遍 的是三 叶型 。三 叶型 叶轮每转 动一 次 由 污染 。 两个 叶轮进 行 3次 吸 、 排 气 。与二 叶型相 比， 气 体 脉动 性小 ， 振动 也 小 且 噪声 低 。风 机 两根 轴 上 的 叶轮与椭圆形壳体 内孔面， 叶轮端面和风机前后 端盖 之间及 风 机 叶轮 之 间 始终 保 持微 小 的间 隙 ， 在 同步齿轮 的带 动下风从 风机 进风 口沿壳 体 内壁 输送 到排 出的一侧 。风机 靠转 子轴 端的 同步齿 轮 使两转 子保 持啮 合。 转 子上 每一 凹人 的曲 面部 分与气 缸 内壁组成 工作容 积 ， 在 转子 回转过 程 中从 吸气 口带走 气体 ， 当移 到排气 口附 近 与排 气 口相 连通 的瞬 时 ， 因有 较高压力的气体 回流 ， 这时工作容积中的压力 突 然升高 ， 然后 将 气 体输 送 到排 气 通 道 。两转 子依 次交替 工作 。两转 子 互 不 接触 ， 它们 之 间靠 严 密 2罗茨风 机流 量计算 由于罗 茨风机 的结 构特 点 ， 罗 茨 风 机 的风 压 是不受风机转速 限制的， 不论转速变化如何其风 压可 以保 持 不 变 。而 风 量则 与 风 机 转 速 成 正 比， 即 Q K N， 其 中 Q表 示 风 量 ， Ⅳ 表示 风 机 转 速 ， 为 系 数 。在 这 里 为 一 个 常 数 ， 由 环境 温 度、 大气压力等决定。而风量调节完全由变频器 改变 电机频率 达 到无 级 变 速 ， 起 到调 节 风量 的效 果 。根 据现场 应用 ， 工 艺 风机 的调 节 范 围在 l 5～ 5 0 H z 运 行 ， 由于采用 罗茨风 机 的送 风工 艺基 本是 一 致的 ，因此在不同的应用场合风量调节量是基 收稿 日期 2 0 1 1 -0 5 1 0 修改稿 第 6期 马兵建 ． 罗茨风机流量控制算 法的实现与应用 7 5 5 本 相 同的 ， 而采 用 变 频 技术 进 行 罗 茨 风 机 调 节 则 可 以获 得 4 0 ％ 左右 的节 能效 果 。 公 式 Q K N 是 罗 茨 风 机 的 基 本 流 量 计 算 公 式 ， 但是 不 能简 单 地 利 用 这个 公 式 来 计 算 罗 茨 风 机的 流量 ， 必须考 虑 环境温 度 、 大气 压 力及 升压 变 化 等 因素 。通常 将 罗 茨 风 机 流量 Q 定 义 为 标 准 吸气状 态 绝 对压 力 1 0 1 ． 3 2 5 k P a 、 温 度 2 0 C、 相 对 湿 度 5 0 ％ ， 介 质 为 空 气 时 罗 茨 鼓 风 机 的进 口流 量 ， 这样 在 非 标 准 状 态 下 的 流 量 必 须 进 行 换 算 。 进 气流 量 用 基 准 状 态 温 度 为 0 ℃ 、 绝 对 压 力 为 1 0 1 ． 3 2 5 k P a 下 的流 量 Q 表 示 时 ， 根 据厂 家 提 供 的风机 性能 表 ， 实际进 气 流量 Q 按 下式 计算 q Q t 一 Q √ Q q 一q 2 式 中 吸入气 体 温度 ， ℃ ； 0 气体内泄漏量 ， m ／ ra i n ； Q 理 论 流 量 ， m ／ m i n 根 据 要 求 升 压 下 的进 口流量 ， 由性能 表查 得 ； q 标 准吸入 状 态下 的实 际流量 ， N m ／ mi n 选 型后性 能表 所示 的流 量 。 3 罗茨 风机 流量算 法 求解 由于 罗茨 风机 的 流 量 和转 速 成 正 比， 在 工 程 应用中可以将风机转速和流量曲线表示成线性关 系 ， 这 样 可 以得 到 如 图 2所 示 的转 速 一流 量 曲 线 坐标 图 。 图 中 P ， P ， P为 风 机 出 口压 力 ， n ． ， n ， n为 转速 ， A， B， C分别 表 示 不 同 出 口压 力 下 的转 速 流 量 曲线 。其 中 A为 出 口压 力 为 p P P 。 时 的 转 速 流量 曲线 ， 曰 为 出 口压 力 为 P P P 时 的 流 转 速 图 2 流量 计算 图 示说 明 转 速 流量 曲线 。根据 罗 茨风机 的特 性 出 口压力 高 时流 量 较 低 ， 出 口压 力 低 时 流量 较 高 。c为 出 口 压 力 为 P P 1 9P 。 时 的转 速 流 量 曲线 ， 它 是 实际 要计 算 的流 量 曲线 ， 相 对 应 的 转速 n n ，n n 和 P 的交 点 就 是 实 际需 要 的计 算 流 量 ， 这 样 就 能根据 n和风 机 的 出 口升压 来计 算 出风机 的 流 量 ， 图 中 P ／ Q。 表 示 在 升 压 为 P 时转 速 n 。 所 对应的流量为 Q ， 。首先根据几何关 系可 以得到 如下公 式 [ ] q 3 此 公式 可 以得 出在 ／ 7 , 转 速 下 升 压 为 P时 风 机 的进 口流 量 Q 然 后 根 据 计 算 得 到 的 q 得 到 如下 公式 一 n ， 4 这 样便 可 以得 到 在 升 压 为 P、 风 机 转 速 为 n 时 的风 机 进 口流 量 q ， 这 里 的 Q 就 是 式 1 、 2 中 的 q 。根 据式 3 、 4 对应 查 风机 厂家提 供 的风 机参 数 性 能表 ， 便 能够 计 算 出实 际 应 用 时 的风机 流量 表 1 。 表 1 罗茨风机 的流 量特性 表 N m ／ m i n 4算 法 实际应 用 按 照 上节 所 述 Q 就是 实 际 生 产 中利 用 转 速 n控 制 的流量 ， 在 工 程 应 用 中使 用 变 频 和 P L C就 能够控 制转 速 n ⋯ 。在风 机 的 附近 安装 远 传 绝 压 压力变 送器 和 温 度传 感 器 做 计 算 中的 校 正参 数 。 利 用计算 出的 Q 套 用 式 1 、 2 就 可 以得 到 经 过 校正后 的 风机输 出 流量 。在 风机 出 口管 道 中 同 样 安装远 传 压力 变送 器和温 度 变送器 做温 压 补偿 计 算使 用 。在 工业 编 程语 言 中 L A D、 S T L 、 F B D是 基 本 的编程 语言 ， 在 这 里 使 用 了 西 门子 的 S T L语 7 5 6 化工自动化及仪表 第 3 8卷 言实 现上述 算法 。将此算 法封 装为 一个功 能模 块 方便 以后 的系统 调用 。 由于篇幅限制 ， 下面仅给 出式 3 S T L语言 的实 现过程， 其他公式和过程可以参照此过程。算法中 T WO R D 1 、 T WO R D 2 、 T WO R D 3均为临时变量 。 L P2 T TW ORDl L Q2 T TW ORD2 L TW ORD1 L Pl l T 峁TW ORD3／ ／ P2一P1 L Q 1 L TW 0RD2 一 I ／ ／Ql Q 2 D T R L TW 0RD3 ／ ／ P 2 一 P1 DTR ／ R ／ ／ Q 1 一 Q 2 ／ P 2一P 1 T 群DWORDl L 撑 TW 0RD1 L PCOU RND I T 嚣 TW 0RD l ／ ／ P2 一 P L O I J C c 0 0 1 ／ ／I F P 2一P 0 DTR L DW ORD1 R RND L W0RD 2 ／ ／Q 2 I I 1 r W ORD3 ／ ／ V l J U M0 02 c 0 0 1L T WOR D1／ ／ P 2一P 0 L 一 1 }I DTR L DW 0RDl R RND L l { I L T WO R D 2 ／ ／Q 2 I T TW 0RD3 ／ ／ VNl 5 结束 语 罗茨风机以其可靠的设计 、 优秀的性能在工 业环 境 中有 着 广 泛 的 应 用 ， 笔 者 所 采 用 的 流 量 计算控制 方法 简单易行 。实际使 用证 明 。 这 种 控制 算 法 有 着 较 高 的 稳 定 性 ， 能 够 有 效 地 适 应 环境的变化 ， 通过 此算法也 能够 方便地实 现指 定风机流量来计 算风机 的转速 ， 从 而实现恒 流 量控 制功 能 。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参 考 文 献 蔡华锋 ， 杨清峰 ， 高敏． 高海 拔下罗茨风机参 数的修 正[ J ] ． 水泥 ， 2 0 1 0 ， 1 2 4 8 4 8 ． 陈红 ， 贺 文庆． 变频调速 技术在煤 气加压 罗茨 风机 上的应用 [ J ] ． 电气 传动 自动化 ， 2 0 0 2 ， 2 2 2 5 9～ 6 O． 季若庸． 罗茨风机风压和 电机功率 的选择 [ J ] ． 中国 铸造装备 与技术 ， 1 9 9 6 ， 6 4 1 4 2 ． 王念 春， 季 幼章． 罗茨风机 中应用变 频调速 技术 的 节能分析 [ J ] ． 电工技术杂志 ， 2 0 0 1 ， 1 1 1 5一l 6 ． 廖 常初． s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用 技术 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 3 0～ 5 2 ， 6 8 7 5 ． 中 控 中 标 国 内 单 套 规 模 最 大 己 二 酸 装 置 项目 5月5日， 浙江 中控技术股份有限公司 简称 中控 凭借在精 细化工行业 的综舍 实力 ， 与 国外 多家知名 D C S厂商激烈竞标后 ， 一举 中标 山 东华鲁恒 升化 工股份有 限公 司 简称 华鲁恒 升 己二酸装 置项 目 D C S 。 这是 目前 国内单套规模 最大 的 己二酸装 置项 目。该项 目采 用 中控 We b F i e l d E C S 一 7 0 0 D C S 。 共有 I ／ 0测点 1 2 2 4 0 个 ， 设 置了 3 2个操作站 、 2个工程师站和 1 4个控制站 ， 并与多套 第三方控制 系统进行 连接。该项 目的 取得 ， 为 中控进 一步争取超 大型复杂精细化工项 目奠定 了坚 实基础 。 近年来 ， 随着尼龙和聚氨酯 市场不断扩 大， 作为主要 原料的 己二 酸 需求也越 来越 大。华鲁 恒升新 建的 1 6 0 k t ／ a己二 酸生产装置规模为 国内最大。该装 置应 用于高温、 易燃、 易爆 、 有毒 和腐蚀 强的典型 高危 生产环 境 ， 是 连 续 生产 、 工 艺 复 杂 、 控 制 难 度 高、 联 锁 因素 多的 高危 险化 工 项 目。