變頻器與入口導葉聯合調節控制二氧化硫風機的生產實踐

姜開林

（銅陵有色股份有限公司金冠銅業分公司，安徽銅陵244100）

銅陵有色股份有限公司金冠銅業分公司（以下簡稱金冠銅業）奧爐工程是銅陵有色銅冶煉工藝技術升級改造項目，該工程采用銅精礦配料—圓盤制粒—富氧頂吹熔池熔煉—智能數控吹煉—回轉式陽極爐精煉—PC電解精煉的銅冶煉工藝。冶煉煙氣制酸采用二轉二吸工藝+離子液脫硫工藝，冶煉環集煙氣經布袋除塵后，采用離子液脫硫+鈉堿法脫硫工藝。奧爐工程于2015年設計，2018年正式投料，實現當年投產、當年盈利的佳績[1-3]。

1 奧爐工程典型工況下煙氣組分

奧爐工程硫酸系統采用二轉二吸工藝流程，典型工況下煙氣組分見表1。

表1 奧爐工程典型工況下煙氣組分

工況點1煙氣風量247 271 m3/h，工況點2煙氣風量224 791 m3/h，工況點3煙氣風量144 273 m3/h，工況點4煙氣風量139 120 m3/h，工況點5煙氣風量92 402 m3/h。

金冠銅業奧爐工程硫酸系統最大煙氣量組合為奧爐+吹煉爐造渣期+側吹爐氧化期；最小煙氣量組合為奧爐+吹煉爐高排風機抽入空氣（吹煉爐工藝停風，高排風機入口漏入空氣取經驗值2×104m3/h）；最大硫酸產量（高濃度SO2）組合為奧爐+吹煉爐造銅期+側吹爐氧化期；最小硫酸產量（低濃度SO2）組合為奧爐換槍+吹煉爐造渣2期+側吹爐還原期。平均煙氣量組合為奧爐+吹煉爐平均煙氣量+側吹爐平均煙氣量（按主系統工作制度折算）。

2 KKK公司設計的SO2控制方法

因煙氣組分需要控制的風量范圍較大，僅采用變頻控制或入口導葉控制中的一種調節方式很難滿足硫酸風量的大范圍控制要求，德國KKK公司經招標中標，風量控制采用變頻與入口導葉聯合調節控制方式，配套提供西門子PLC S7-1500作為整個風機控制系統。

KKK公司根據金冠銅業提供的6種典型情況下煙氣風量，設置變頻器-入口導葉控制方法，采用分層控制方式。由DCS給出0到100%風量進行控制，通過PLC控制變頻器限幅，首先將變頻器限幅輸出到92%，再由入口導葉（以下簡稱IGV）根據需要逐漸從0開到100%，然后再調整。DCS輸出信號分層控制見表2。

表2 DCS輸出信號分層控制

KKK公司的PLC接到DCS的4~20 mA信號進行分段控制調節風量，首先啟動風機，變頻器直接升到1 377 r/min（要求變頻器最低限幅為46 Hz，即1 377/1 500≈92%），調節IGV，待DCS輸出到15.9 mA，IGV全部打開，DCS輸出繼續提高，開始調節變頻器，直到變頻器輸出50 Hz。

3 控制方法的優化和改進策略

3.1 初步優化控制

2018年1月SO2風機安裝到位進行調試，變頻器需要設置最低限幅，但變頻器自身無法實現，采取的解決方案是將PLC輸出到變頻器的信號送到DCS系統，由DCS系統加限幅器，對變頻器進行控制。由此進行了第一次對控制系統的優化。

盡管奧爐設計規模為200 kt/a 電解銅，但SO2風機風量是按300 kt/a電解銅規模進行設計，所以前期生產中風機余量較大，奧爐前期最大投料量為120 t/h，SO2風機實際風量最高約83%，大部分時間低于80%運行。KKK公司的控制方法是首先將變頻器啟動到92%，基本靠IGV進行調節，變頻器只有在投料量提高到一定程度時才調節，不僅浪費能源，而且整個控制范圍非常窄。通過DCS調整限幅比較方便，為了節能，同時使變頻器調速范圍有所擴大，金冠銅業與KKK技術調試人員溝通，PLC的控制不變，通過對DCS優化控制，將變頻器限幅降低到80%。DCS優化控制采用計算方式進行限幅和控制優化，按公式(1)計算：

式中：Y——DCS輸出到變頻器的最終輸出信號；

A——變頻器的限幅，取0.8；

B——除去限幅后的調節范圍，取0.2；

X——PLC輸出到變頻器的控制限幅，0~100%。

按照KKK公司要求，IGV和變頻器最終都由KKK公司的PLC控制，這樣可保證風機運行穩定、可靠，而KKK公司的PLC程序經過加密，控制參數不允許修改，只有借助DCS系統的優化控制才能向下調整變頻器限幅。

通過優化控制改造，并通過開啟風機進行實際調試，DCS輸出從0到100%，風機一直正常運行，軸承振動和機殼振動、風機電流、風壓等各項指標均正常。由于調試期間，奧爐排風機和轉爐排風機不具備開啟條件，處于停止狀態，SO2風機只對本機進行聯調，風量無法達到最大，后通過實際生產檢驗，經過優化控制的SO2風機控制良好，實際風量最高達到83%，這樣真正實現了變頻器控制從92%降低到80%限幅，相對于KKK公司的風機控制方案，限幅節約了近10%。以SO2風機電機功率為5 600 kW計，1年至少節約電費300萬元。

3.2 進一步優化控制

經過優化控制的奧爐SO2風機實際運行一段時間后，硫酸工藝又提出新需求，風機在奧爐、轉爐停風后，由于變頻器輸出最低限制為80%，這時將IGV全部關閉也有較大的風量（實際上為了保證風機啟動需要一定風量，IGV并未完全關閉，而是留有10%開度），此時電機運行功率約為1 000 kW，為了保證凈化和轉化工序管道的壓力維持在正常范圍內，需要將電除霧器稀釋風打開到40%左右，方能滿足工藝的管道壓力平衡。由于冷風被帶到轉化系統，需要啟動開工爐，將帶進來的冷風加熱到轉化層需要的溫度，否則將影響催化劑性能。如果能將風機轉速再降低一些，能夠滿足轉化工序和干吸工序之間的內部循環，將不需要再啟動開工爐，這樣SO2風機不僅節能，開工爐整套系統也無需開啟。由于SO2風機以低轉速運行時可能引起風機喘振，所以KKK公司設計了變頻器限幅啟動，以防止風機喘振。但是SO2風機的電機和風機轉速變比值為2.2，為此，在IGV全開的情況下，變頻器在24~26 Hz和30~35 Hz振動值較高，尤其是24~26 Hz要盡量避免，至于是否會喘振，因為是混合調節，KKK公司并沒有給出低轉速的喘振曲線圖，最終要通過試驗獲知。

變頻器限幅易實現，但是要將一段控制區間進行屏蔽較為麻煩。因為風機控制系統是在KKK公司的PLC控制系統中實現的，只要PLC控制系統不作調整，整個風機的聯鎖保護都在投運中，如果在試驗時風機進入喘振區，風機會自動跳機，所以試驗不會造成風機損壞。

PLC對變頻器和IGV分開控制，PLC不能改變對IGV的控制，只能通過改變DCS對變頻器的輸入進行控制。通過分析，在DCS系統上采用分段控制（即多線段方法），可以將可能產生風機喘振的區間屏蔽，從而避免發生喘振危險。DCS，PLC信號分層控制見表3。

表3 DCS、PLC信號分層控制

PLC輸出到DCS，是KKK公司的PLC輸出對變頻器的控制，此次優化將變頻器限幅在最低20 Hz；變頻輸入值從40%調節到100%。PLC輸出的調節是0到100%，二者都是線性關系，通過分段控制中間將24~27 Hz和30~35 Hz屏蔽，達到防喘振的目的。

雖然變頻器限幅值下降，但是整個DCS輸出的控制卻不再呈線性，因為PLC對變頻器的控制是在IGV全部打開，即接受到閥門開到位的情況下，才輸出對變頻器的調節控制。限幅值調整過低，則IGV調節被弱化，當IGV輸出最大時，電機的電壓只有額定電壓的40%，且IGV調節過快，變頻器調節過慢，這樣DCS輸出的調節SO2風機風量就變成前面的IGV調節過快，后面的變頻器調節過慢的非線性化控制。所以還需要對PLC風量調節信號進行特殊處理，讓輸出到PLC的IGV調節得過慢，調節的變頻器調節得過快，風量的控制基本呈線性，采用的方法依然是分段控制。DCS輸出到PLC信號的斜率分段調整見表4。

表4 DCS輸出到PLC信號的斜率分段調整

4 實踐情況

1）奧爐工程于2018年5月試生產，SO2風機經1年試生產，風機運行良好， SO2風機的風量目前最大運行負荷在83%左右。奧爐于2019年6月13日開始大修，7月7日完成控制系統進一步優化控制的程序修改，經試驗可行后投入運行。通過空載試驗證明，風機在變頻器輸出到24~35 Hz時，雖然程序已做屏蔽，但振動值仍較高，最高值甚至達46 μm，不過離風機跳機值還相差較遠（風機振動跳機值為110 μm）。但在后來的正式帶負荷生產中，振動值反而下降，最高值只有26 μm。原因是試車期間SO2風機獨立運行，風機入口壓力達不到設計值，而生產期間，由于奧爐排風機和轉爐排風機有推力作用，SO2風機做功變小，氣流比較均勻，所以SO2風機振動值反而比試車期間小很多。

2）節能效果明顯。2019年7月14日，SO2風機正式運行，風機控制最小流量時，IGV為0，變頻器輸出功率為254 kW，電流為66 A，電壓為3 708 V，后IGV控制在3%左右，一直維持低負荷運轉，直到7月17日下午正式投料才提速。查找DCS歷史趨勢，6月14日SO2停機前，控制流量輸出為4%，功率為955 kW，電壓為7 463 V，電流為94.8 A，如此比較，每小時節能600 kWh。

3）由于SO2風機能夠以極低負荷運行，滿足了轉化和干吸工序的內部風量循環，使得開工爐可以不開啟，即使開啟也只消耗少量的天然氣，開工爐總負荷為250 kW，因而天然氣使用量也大幅降低。

通過以上一系列優化控制改造，金冠銅業完成了KKK公司沒有實現的真正的變頻器-IGV的聯合控制，開創了變頻器-IGV聯合控制的先例，大大拓展了SO2風機風量調節范圍，是硫酸轉化系統的一種新控制方法。

5 結語

優化控制SO2風機，不僅取得了明顯的節能效果，而且擴展了變頻器-IGV控制領域，為硫酸轉化和干吸工序內部循環生產創造先例，具有可操作性。但是該SO2風機系統控制優化不是最優控制，從變頻器調速的SO2風機調節范圍來看，20 Hz限幅不是最低，與KKK公司技術人員交流得知，限幅在10 Hz以上都可以。實踐證明，25~35 Hz的風機振動值最大，如果生產需要的風量不在這一范圍，可以做較大屏蔽，以保證風機更平穩運行。由于風機控制程序受KKK公司的PLC控制限制，不能更改PLC內部控制邏輯和參數，若變頻限幅過低，就弱化了IGV調節作用，最好的優化控制方法是DCS輸出0~100%，風機轉速從低到高上升，先將變頻限幅降得很低（如10 Hz），IGV逐步開大調節，IGV控制到一定開度后保持不變（如IGV開度到60%），然后調節變頻增加到35 Hz后保持不變，將IGV調整到100%，再調節增大變頻器到50 Hz。這樣IGV-變頻器的調節作用均加強，聯合調節的范圍更廣，調節期間要考慮屏蔽風機易產生喘振范圍內的頻率。由于受KKK公司的PLC加密限制，也許聯合調節將會成為以后的研究方向。