前紡FDY/POY裝置空氣調節變頻改造

任學標

(中國石化儀征化纖股份有限公司長絲加彈中心，江蘇儀征 211900)

一般來說，生產車間內的空氣溫度、濕度、流動速度、含塵濃度與新鮮度必須滿足生產工藝和人體舒適的要求，不可因室外空氣參數和室內各種因素的變化而變化。而儀化長絲加彈中心前紡POY/FDY裝置原有空氣調節系統用的是閥門、閥板控制，既不經濟，能耗也大，加上設備陳舊老化，必須進行改造。改造方案提出多種，最終采用變頻調速控制技術，通過改變輸入到交流電機的電源頻率，達到調節交流電機轉速的目的，從而改變風機出風量。

1 存在問題

原空氣處理系統采用一臺西門子45 kW三相異步電機驅動，電機啟動方式為星－三角啟動，能耗大，啟動電流是正常工作電流的3～6倍，風壓采用閥板、閥門控制，這種調節方式既不方便，又浪費大量的電能，很容易造成閥門及風機的損壞，出現異常情況不能及時發現處理。

2 改造過程

2.1 變頻改造技術方案

由HONEYWELL DCS對風壓進行閉環控制。由現場現有的壓力傳感器測量風壓，經信號分配器，一路送至DCS，一路送至現場控制柜上壓力顯示儀表。DCS輸出4～20 mA轉速調節信號至現場(目前已至現場現有控制柜中)。變頻器設定值具有“自動－手動”切換功能，“自動”信號來自DCS，“手動”信號來自現場控制柜上顯示儀表。變頻器啟動、停止由新增控制柜上的啟動、停止按鈕控制。變頻器啟動后運行正常時須給出“運行”信號至DCS，發生“過載”或“接地”等故障時須給出“故障”信號至DCS和現場蜂鳴器。控制柜上由指示燈指示變頻器進線電源分合閘狀態，控制柜采用下進線方式，零地線分開。控制柜由安裝在側面的冷卻機冷卻，控制柜顏色與現場現有控制柜統一。所有現場送至DCS的信號均須進行可靠隔離，不得有干擾信號進入DCS影響DCS系統穩定運行。

2.2 改造后達到的目的

對電機采用變頻調速自動控制，改造后能夠較大幅度節能降耗，延長軸承、過濾袋的使用壽命，而且風壓控制穩定，調節靈活，也為產品開發提供了基礎。

2.3 技術要求

a)電機變頻控制分手動和自動控制兩種，正常采用DCS自動控制，便于中控室值班人員及時掌握現場工作狀態;

b)2臺差壓變送器，量程0～10 kPa，4～20 mA信號輸出;

c)變頻改造后原來電氣柜中工藝風機電機星－三角啟動電路全部拆除;

d)變頻改造后原來電氣柜中送到DCS的電機運行狀態指示和故障指示信號改為由變頻器給出，送到無紙記錄儀，原來電氣柜中的電機啟停命令信號送到變頻器;

e)變頻器參數設置合理，電機啟動、停止、運行過程中的溫升、振動、電流無明顯異常;

f)采用專用儀表實現壓力PID調節，用無紙記錄儀記錄歷史數據，顯示趨勢。

2.4 變頻控制的基本工作原理

2.4.1 DCS 自動控制

利用該廠前紡現有DCS控制系統，對管道風壓實行單回路PID自動控制。控制回路由壓力傳感器、DCS模擬輸入點、常規控制點、模擬輸出點、變頻器組成。由現場新增的壓力傳感器測量風壓，將4～20 mA信號送入DCS，通過PID調節回路，再將4～20 mA信號送入變頻器頻率設定通道，變頻器按該設定值輸出，調節電機轉速，控制風壓穩定。DCS內新建控制點，具有PID調節、歷史數據記錄、趨勢顯示等功能。如圖1所示。

圖1 POY/FDY裝置風機變頻改造DCS控制原理示意

2.4.2 PID 手動控制

為防止DCS自動控制系統出現故障，設計時，增加1套PID手動調節系統，確保系統工作穩定可靠。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的，變頻器接受PID調節器的信號對風機進行速度控制，控制器綜合給定信號與反饋信號后，經PID調節，向變頻器輸出運轉頻率指令。由變頻器輸出相應頻率和幅值的交流電，在電動機上得到相應的轉速。控制回路由2臺壓力變送器、PID調節儀和變頻器組成。壓力傳感器安裝在離風機10 m遠處的風道中測量風壓，變換為4～20 mA信號送入PID調節儀，進行PID調節，PID調節儀的輸出控制信號(4～20 mA信號)送入變頻器頻率設定通道，變頻器按該設定值，調節電機轉速，控制風壓穩定。另1臺壓力傳感器安裝離風機大約100 m處的工作現場，測量工作現場風壓，變換為4～20 mA信號送入無紙記錄儀端子，記錄歷史數據和顯示趨勢及報警。見圖2所示。

圖2 POY/FDY裝置風機變頻改造現場PID調節控制原理示意

2.5 變頻器的選型

現今變頻器品牌很多，考慮到該廠實際，選用富士FRN45F1S－4C511型變頻器作為工作變頻器，額定參數為:Ue=380 V，Ie=85 A，Pe=64 kVA，其理由是該型變頻器采用了動態轉矩矢量驅動控制技術。控制系統高速計算電動機驅動負載所需功率、最佳控制電壓和電流矢量，最大限度地發揮電動機的輸出轉矩。按照動態轉矩矢量控制方式，能配合負載實現在最短時間內平穩地加減速。使用高速CPU能快速響應急變負載和及時檢知再生功率，設有控制減速時間的再生回避功能，實現無跳閘自動減速過程。同時在同類進口變頻器中價格較低，且具有適合風機的自動節能運行特點。

3 改造后的特點和效果

3.1 節能效果

根據流體力學原理，風機水泵負載的流量Q與轉速N成正比，而所需功率P與轉速N的3次方成正比。因此當風量小于額定風量時，改變電機轉速，其功率明顯下降，具有顯著的節能效果。節能效果計算如下:

a)改造前風機實際運行情況:

I實=54.875 A(24 小時平均值)，U實=380 V，COSφ實=0.78

P實=√3UICOSφ =1.732×54.875×380 ×0.78≈28.17 kW

b)改造前原風機DCS控制室24 h記錄值(表1):

表1 改造前原風機DCS控制室24 h記錄值

日期:2011年5月20日

電流平均值=∑I/24=1317/24=54.875 A

c)改造后原風機DCS控制室24 h記錄值:

日期:2011年7月20日

電流平均值=∑I/24=995/24=41.458 A

表2 改造后原風機DCS控制室24 h記錄值

d)在保持輸出功率不變的情況下電流由54.875 A 降為41.458 A，所節省電能為:

P節=√3U(I1－I2)COSφ=√3×380×(54.875 －41.458)×0.95≈8.4 kW

e)年節電量為:

W=8.4 kW ×24(每日)×365(一年)=73 584 kWh

f)全年節省費用:

每度電按 0.6元計算，73 584×0.6=44 150.4元。

由此可見，節能效果非常明顯。

3.2 空氣調節效率

風機的工作效率由下式計算:

式中Q為風量，n為轉速，C1、C2為常數

通過風門控風量時，因轉速n不變，而流量Q下降，故效率ηp下降，而通過轉速控制風量時，風量與轉速成正比，比值(Q/n)不變，故效率ηp始終保持最佳狀況。

3.3 其它

操作簡單方便，維護量小，風機穩定性大為提高。由于實現全自動無級調速，可使電機連續平滑穩定變速。

3.4 注意事項

運行中需注意風機轉速不能過低，避免電機過熱;在調節風機速度時，應避免與設備產生共振，防止高次諧波損耗、電磁波干擾，必要時加裝相應容量濾波裝置。

4 結語

采用交流變頻調速器對風機進行節能改造，不但操作簡單方便、節約電能、降低生產成本，而且大大地改善了風機的運行條件，減少了風機、閥門等的維護量。該變頻改造項目已連續運行兩年多，系統運行可靠平穩，通訊數據準確及時，使設備管理規范化，提高了工作效率，需要在線改變的量通過DCS人機界面直接設定，簡單直觀，便于操作。DCS遠程自動控制與現場PID手動調節，相互補充結合使用，實現了該系統的遠程控制變頻和手動即時變頻等功能，在實際使用中取得良好的效果，值得推廣到其他行業應用。