梅鋼3#燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機系統(tǒng)智能化變頻改造應(yīng)用

周紀平

（上海梅山鋼鐵股份有限公司設(shè)備室，江蘇南京210039）

節(jié)能環(huán)保是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中的重大任務(wù)之一，為此，對上海梅山鋼鐵股份有限公司三號燒結(jié)機實施智能化變頻改造. 二十世紀八十年代末，交流變頻調(diào)速逐漸在工業(yè)傳動調(diào)速中使用，并日趨替代直流調(diào)速傳動. 交流變頻調(diào)速技術(shù)不僅調(diào)速曲線平滑、調(diào)速范圍大、效率高、啟動電流小、運行平穩(wěn)而且節(jié)能效果良好，更是風(fēng)機、泵類設(shè)備最佳的節(jié)能改造新技術(shù). 張云等對馬鋼燒結(jié)主抽風(fēng)機變頻節(jié)能改造,將傳統(tǒng)的大風(fēng)機電機采用軟啟動方式啟動，工頻運行模式，改為既具有軟啟動功能，又具備調(diào)速功能的變頻方式[1]. 該方式雖然可以達到一定的節(jié)能效果，但是在控制過程人為干擾太多，不具有智能化的效果. 張惠等在降低燒結(jié)系統(tǒng)電耗的實踐一文中，對環(huán)冷機密封裝置進行改進，并利用同步電動機的有關(guān)工作特性，調(diào)整勵磁來實現(xiàn)節(jié)能[2]，但是在進行裝置改造時會需要大量的人員，造成巨大的人力浪費，并且節(jié)能效果不太理想. 針對燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機的工作特點，實施變頻技術(shù)改造，使用模糊PID控制技術(shù)對風(fēng)壓進行控制，同時，使用空水冷系統(tǒng)散熱，裝置運行后，分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)變頻改造項目給本公司帶來了可觀的經(jīng)濟效益，且大大減少了空氣污染[3].

1 環(huán)冷風(fēng)機在冶煉燒結(jié)中的工藝應(yīng)用

梅山鋼鐵股份有限公司3# 燒結(jié)機環(huán)冷系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)機10 kV 3 550 kw，是屬于二次方遞減轉(zhuǎn)矩的負載性質(zhì)，對于這種轉(zhuǎn)矩的負載，流量與負載的轉(zhuǎn)速成正比變化，壓力變化與流量變化是平方關(guān)系，功率變化與流量變化則是立方關(guān)系[4]，即當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速從n1變到n2，風(fēng)量Q、風(fēng)壓H 及軸功率P 的變化關(guān)系為：

其中P1為風(fēng)機在n1轉(zhuǎn)速下的功率，P2為風(fēng)機在n1轉(zhuǎn)速下的功率.

經(jīng)過風(fēng)門、閥門和通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)負載大小的能量需求效果如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)速功率關(guān)系圖

變頻器調(diào)節(jié)方式的能量需求最低，曲線最接近負載能量需要的理想曲線.在實踐應(yīng)用和節(jié)能分析中，不能簡單依賴流量、壓力和功率三者之間的變化關(guān)系，還要考慮負載的型號選擇（如鼓風(fēng)機和引風(fēng)機的選型倍數(shù)），負載平時的工作情況及其變化趨勢和負載變化引起的效率和功率因數(shù)等參數(shù)的變化.

變頻器的功能主要通過負載實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，加入模糊PID 控制實現(xiàn)自動控制負載傳動，優(yōu)化生產(chǎn)過程控制，提高生產(chǎn)效率，控制軟啟動，延長設(shè)備使用壽命，節(jié)約風(fēng)機、壓縮機的負載用電等.

燒結(jié)礦經(jīng)過高溫?zé)瞥珊笮枰鋮s，且冷卻均勻，才不會影響后續(xù)工藝穩(wěn)定進行，一般要求溫度在80 ℃～150 ℃之間（最佳溫度100 ℃～120 ℃）. 出礦溫度太高（≥200 ℃），會使運輸機膠帶長期受高溫影響使用壽命縮短；而溫度太低（≤60 ℃）容易造成急冷，使燒結(jié)礦變碎造成粉化，易造成燒結(jié)礦返礦，影響成品率和產(chǎn)量，造成資源浪費.

3 模糊PID 智能控制系統(tǒng)變頻節(jié)能改造

3.1 模糊PID智能控制系統(tǒng)

（1）工作原理

模糊控制系統(tǒng)中，把風(fēng)壓反饋值和目標值比較，誤差e和誤差變化率ec作為輸入，輸出是PID的三個增益參數(shù)Kp、Ki、Kd.然后基于Mamdani算法和模糊推理規(guī)則求解. 經(jīng)解模糊得到標準化輸出，乘以對應(yīng)的量化因子得到PID調(diào)節(jié)值Kp、Ki、Kd. 傳入控制器即可對被控對象實時控制[5-12].模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)示意圖

（2）論域與隸屬度函數(shù)

設(shè)定模糊推理的輸入e和ec的論域均為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，對應(yīng)語言值為{負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}，隸屬度函數(shù)均為三角形（trimf）、Z型（zmf）和S型（smf）；設(shè)定模糊推理的輸出Kp、Ki、Kd的論域均為{1,2,3,4}，采用的隸屬度函數(shù)為三角形（trimf）、Z型（zmf）和S型（smf）三種[4].

（3）控制規(guī)則

Kp、Ki、Kd的自調(diào)整規(guī)則如表1所示.

表1 模糊PID控制規(guī)則ΔKp、ΔKi、ΔKd值查詢表

根據(jù)模糊PID 控制器的隸屬度函數(shù)、論域及控制規(guī)則查詢表，可在MATLAB 軟件中的fuzzy 工具箱生成模糊PID 控制器，生成的模糊PID 控制器為兩輸入、三輸出系統(tǒng)，包含49條模糊規(guī)則.輸入變量e和ec的隸屬度曲線如圖3所示，輸出變量Kp、Ki、Kd的隸屬度曲線如圖4所示.

由于機械裝置的運行特點和現(xiàn)場工況環(huán)境的變化，風(fēng)壓變化不均勻，在某一風(fēng)壓范圍內(nèi)波動時，幅值變化可能在某一區(qū)間比較集中，所以隸屬度函數(shù)變化是近似于三角形的波形，即針對e 和ec，Kp、Ki、Kd不同論域值對應(yīng)的隸屬度變化不同.

圖3 輸入變量隸屬度函數(shù)

圖4 輸出變量隸屬度函數(shù)

3.2 燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機智能控制系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場實際測量，本著改動最小、費用最低的原則，綜合考慮設(shè)備安裝位置、電纜長度、敷設(shè)通道等因素在循環(huán)風(fēng)機旁新建變頻器配電室.加入模糊PID控制器對環(huán)冷風(fēng)機出風(fēng)口風(fēng)壓進行控制.

（1）工作原理

燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機系統(tǒng)加入模糊PID 控制器，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，進而調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機的風(fēng)壓大小，變頻風(fēng)機上安裝一個壓力檢測器，安裝在風(fēng)機出風(fēng)口，用來實時檢測風(fēng)壓大小，及時反饋給系統(tǒng)輸入端，與風(fēng)壓目標值進行對比.具體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示.

圖5 燒結(jié)變頻環(huán)冷風(fēng)機智能控制系統(tǒng)

（2）仿真分析

在MATLAB/Simulink 仿真軟件下建立環(huán)冷風(fēng)機系統(tǒng)仿真模型，模型主要由模糊PID控制器、干擾信號、被控系統(tǒng)（被控對象）、控制設(shè)定值等組成.控制對象風(fēng)壓是二階系統(tǒng)，對其進行仿真，測試信號是單位階躍信號，分別在風(fēng)機出風(fēng)口壓力無干擾和有干擾情況下仿真，結(jié)果分別如圖6、圖7所示.

測試信號是單位階躍信號，即控制設(shè)定值的大小為1.將圖6進行處理后可得出如下結(jié)論：系統(tǒng)無干擾時，模糊控制器控制的系統(tǒng)調(diào)整峰值為1.11，超調(diào)量為11%，調(diào)整時間20 s.常規(guī)PID控制情況下，系統(tǒng)調(diào)整幅值峰值是1.25，超調(diào)量是25%，調(diào)整時間是55 s. 對比數(shù)據(jù)分析，使用模糊PID 控制器對環(huán)冷風(fēng)機進行智能化變頻改造后，系統(tǒng)的快速性提升了35%，系統(tǒng)調(diào)整時間減少54%，風(fēng)壓控制精度提高16%，控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID 控制器. 由圖7 可知，在系統(tǒng)中加入[-0.1,0.1]的隨機信號，模糊PID控制器同常規(guī)PID 相比，其控制效果、穩(wěn)定性更優(yōu). 所以，傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)冷風(fēng)機閥門響應(yīng)時間長，延遲滯后時間久，而且容易引起系統(tǒng)超調(diào)，使用模糊PID控制器改善了這些情況.

圖6 無干擾仿真結(jié)果

圖7 有干擾仿真結(jié)果

4 節(jié)能后評價

上海梅山鋼鐵股份有限公司三號燒結(jié)機環(huán)冷系統(tǒng)為了節(jié)能環(huán)保，對10 kV 的循環(huán)風(fēng)機實施了變頻改造，使用模糊PID 控制方法對其實現(xiàn)了智能化控制，散熱部分的變頻設(shè)備由大功率電力電子元件組成，對設(shè)備本體散熱要求較高，采用了相對穩(wěn)定節(jié)能的空水冷卻系統(tǒng). 其中，改造前的采用空調(diào)制冷散熱方式需要約5 臺10 匹空調(diào)，改造后的變頻器驅(qū)動電機為3550 kW，配電室配備2 臺65 kW 水冷器，冷卻水源引至廠內(nèi)工業(yè)冷卻水，配備10匹分體式空調(diào)作為緊急備用. 改造后機組運行穩(wěn)定，變頻在調(diào)試和運行以來未發(fā)生過故障，沒有進行維護操作.

（1）模糊PID智能控制系統(tǒng)變頻節(jié)能改造

在保證風(fēng)壓不變的條件下，通過改變不同的機組功率，得到使用智能化控制的變頻改技術(shù)前后的循環(huán)風(fēng)機10 kV 電機電流情況，其中循環(huán)風(fēng)機電流對比如表2所示.

表2 改造前后循環(huán)風(fēng)機電流對比

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)，取所有測試負荷下各臺風(fēng)機運行電流，進行計算可以得出：

①3#機改造前的平均電流，1A 為93.625 A，1B為90.561 A；

②3#機改造后的平均電流，2A 為67.356 A，2B為65.375 A；

③3#機改造后的平均電流比改造前的平均電流降低了25.728 A.

由計算得到的數(shù)據(jù)求得平均每小時節(jié)電：1.732×10000×27.6×0.88=392.14 kW，按此計算每年可節(jié)約運行費用：392.14×24×365×0.5=171.76萬元，耗電量比原來降低了27.94%，通過以上數(shù)據(jù)可以清晰地看出智能變頻改造后的節(jié)能效果顯著.

（2）散熱系統(tǒng)

①改造前一間采用空調(diào)制冷散熱方式的變頻室需要5臺10匹電空調(diào).

變頻室空調(diào)年耗電量：空調(diào)10匹×5臺×0.735×8760 h = 321930 kW·h. 變頻室空調(diào)年運行電費：321930 kW·h×0.5元=16.1萬元.

變頻室空調(diào)年平均維護費用：約2萬/年.

②改造后一間采用的空水冷方式的變頻室變頻器驅(qū)動電機為3550 kW，配電室配備2 臺65 kW水冷器，變頻器發(fā)熱量按照總功率3%計算[13].

變頻室空水冷系統(tǒng)電機年耗電量：3550×3%÷(2×65) kW×5880 h = 4817.1 kW·h（氣溫低于20 ℃或冷卻水溫低于25 ℃時可以不開增壓風(fēng)機約2 880小時）. 變頻室空水冷系統(tǒng)年運行電費為0.241 萬元.空水冷系統(tǒng)基本上免維護.

單間變頻室年節(jié)約電費15.859 萬元. 變頻室采用空水冷散熱系統(tǒng)運行的電費只占空調(diào)運行電費的1.5%. 因此變頻室采用空-水冷方式的散熱系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果.

5 結(jié)語

對上海梅山鋼鐵股份有限公司三號燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機實施智能化變頻改造，并投入運行生產(chǎn)一年后，通過分析工業(yè)現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)可知，改造后使用模糊PID 控制器的系統(tǒng)裝置，系統(tǒng)的快速性提高了35%，靈敏度提高了54%，風(fēng)壓控制精度提高16%，壓力檢測裝置響應(yīng)時間變短，且超調(diào)減小，控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器.此外，采用空水冷方式對散熱系統(tǒng)進行了改進，其節(jié)能環(huán)保的效果顯著.