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变频器在回转窑二、三次风机控制中的使用

异步电动机是冶金、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备,其输出功率不能随负荷按比例变化,过去许多设备负载变化,只能依靠挡板或阀门的开度来调节,从而造成很大的能源损耗和电能浪费。近年来,随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛,应用变频器对异步电动机控制进行技术改造,成为各企业节能降耗、提高效益的重要手段。......

  异步电动机是冶金、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备,其输出功率不能随负荷按比例变化,过去许多设备负载变化,只能依靠挡板或阀门的开度来调节,从而造成很大的能源损耗和电能浪费。近年来,随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛,应用变频器对异步电动机控制进行技术改造,成为各企业节能降耗、提高效益的重要手段。

  中铝青海分公司碳素1#、2#和3#煅烧回转窑,是1987年建成投产的。其系统控制落后,结构不完善,控制器件、测量仪表老化严重。在实际运行中,设备故障频繁,生产长期依靠现场手动和经验操作,生产方式落后,烧损率高,耗能大。为此,2003年应用PLC和变频器对回转窑控制系统改造。这种煅烧回转窑控制技术,是目前国内较为成熟和先进的控制方式之一。

  回转窑煅烧工艺控制比较复杂,其煅后焦产量、质量及煅烧实收率等产品性能受煅烧带温度、煅烧带位置、挥发份浓度、氧气浓度、窑头窑尾负压、燃料(煤气或天然气)补给量、物料投入量及均匀性等各项工艺参数的综合影响。而煅烧带温度、位置、二、三次风给量有密切关系。在旧系统控制生产中,凭操作人员的实际经验进行调整窑头窑尾负压、给料量、窑体转速、二三次风量及燃料配比,实现煅烧带温度、位置的控制,易造成煅后焦热处理波动较大,烧损率高等问题。对煅烧回转窑产量、煅后焦质量、窑内衬寿命、燃料消耗、窑尾烟气净化等有不利影响。

  二、系统的组成及原理

  1 二、三次风对回转窑生产工艺的影响

  回转窑二、三次风给量大小,决定着窑内煅烧待温度和其位置,在回转窑控制中,一般要求窑内煅烧带温度控制在1270±30℃范围,煅烧带位于窑体中部(即二、三次风嘴之间),而且保持较长距离最好。二次风的给量决定着煅烧带的温度、长度,若风量不足,会使窑内煅烧带的温度降低,料中的挥发物挥发不充分,煅后焦品质低;过量的给风,又会使煅烧料烧损率过高。三次风给量决定着窑尾温度和煅烧带的延续程度:如三次风给定不足,会使挥发物燃烧不充分,窑尾温度低,易结圈,热量利用率低;过量又会使煅烧料烧损加剧,窑内负压降低。其二、三次风供给装置在回转窑体上的位置如图1所示。

  图1  回转窑二、三次风机设置位置图

  2 影响二、三次风给定的因素

  通过对回转窑的综合分析和测定,影响二次风给定的有关因素很多,如图2所示。其主要因素有:加料量;物料流动速度;窑头、窑尾温度;燃料流量;一、三次风给定量等参数。影响三次风量给定的因素与二次风类似,其详细内容略。

  图2  影响回转窑二次风量给定的因素图

  3 二、三次风机控制原理

  随着炭素生产过程的回转窑控制系统的探索和发展,生产过程控制向大型、连续、多级和复合功能方向发展,对生产工艺操作规程的要求更加严格,参数间相互关系更加复杂。产品的品质指标的不断提高,直接要求控制系统的精度和功能要有较大幅度的提升,同对能源消耗和环境污染也要求更高。二、三次风作为回转窑的副控制回路:三次风调节为前端的控制,承担下料量波动时的“粗调”;二次风调节主要承担物料波动较大和燃烧带温度、位置波动等情况下的调整。

  二、三次风量原来采用工频电源控制,风量采用当板开、闭调整,由于窑体旋转,其调整时停窑,影响面广、准确性差,全凭操作人员经验操作。应用变频器调速控制,实现了远程操作、微动细调节的功能,解决了旧系统调整方法对回转窑的影响。实践证明,应用PLC软件对主要因素的综合处理功能和变频调速控制,实现闭环控制,使回转窑的二、三次风给定量更加准确。其原理如图3所示。

  图3  二、三风机变频器闭环控制原理图

  4 自动调节关系描述

  在回转窑多回路控制系统中,其控制方式是由多个测量值、多个调节器、补偿器和解耦器等组成多回路、串级控制系统:负压是主控制调节,二次风变频调节量和三次风变频调节量是副控制调节。为了保证煅烧产品质量,必须严格控制挥引起煅烧热力场温度变化,其扰动因素主要来自两个方面:物料和助燃风量。在物料方面主要是物料下料流量、物料入口温度、物料化学成分和物料停留时间;在助燃风量方面主要是三次风量偏差、二次风量偏差和漏风量。这些扰动量,由于作用地点不同,因此对于煅烧温度的影响各不相同。如:当物料下料流量波动时,会造成水分干燥段温度的波动,它要跟踪调节波动量的变化,不能在煅烧1号扫描系统反应时才做出相应的三、二次风的调节,需要在煅烧2号扫描系统产生超限波动时,就进行相应的三、二次风的调节,最后调节负压(采用变频器控制风机的转速,达到调节负压的目的)。从其控制特性来看,是一种典型的串级控制系统。设计负压控制为主控制回路,三、二次风为副控制回路,窑体变频转速为辅助主变频控制回路,能够加快系统控制速度和响应时间。

  在回转窑总控制系统中为实现最佳煅烧过程控制,采用负压控制和二、三次风机风量调节来实现。其控制对象主要是原料中挥发份最大析出温度、煅烧最高温度以及回转窑壁温度(窑体辐射热量散失)。二、三次风量采用变频器控制风机电机的转速,达到调节目的。上位机通过现场传感器获得稳定场的分布判断和实际参数大小,并通过微处理器分析、比较、合成等综合处理。并由PLC发出控制电信号(4~20mA),控制二、三次风机变频器以及回转窑其它装置(燃烧室引风电机的引风功率、窑体转速、下料量、燃烧嘴流量等参数),以保障整个回转窑温度、负压等运行状态,满足最理想的煅烧生产工艺条件和要求。

  5 系统组成

  系统主要是由工控机、PLC(S7-300)、称量装置(连续皮带秤)、变频器(MF-7.5kW-380)、现场信号采样器及监控器等组成。二、三次风机拖动为5.5kW异步电机,分别采用7.5kVA的变频器独立控制,其参数给定由回转窑总系统控制器承担。上位机根据PLC采样得到的实际物料温度、煅烧带高点温度、煅烧带界面温度和窑内负压等参数,通过控制状态的解析,将实际要求的给定数据发送给PLC,然后PLC发出控制二、三次风供风量的控制指令,变频器驱动执行机构(风机拖动电机),完成系统控制任务。其控制系统如图4所示。

  图4  回转窑二、三次风机实际控制系统图

  6 控制回路调试和整定

  在实际系统调试中,应首先整定副环,其次整定主环,再循环进行,逐步接近主、副环的最佳整定的方法,其步骤如下:

  (1)首先进行三次风量整定值:首先断开主环,按照单回路整定方法,求取副调节器的整定参数,得到第一次整定值。

  (2)其次进行二次风整定值:把已整定好的副环作为二次风副环中的一个环节,仍按单回路整定方法,求取二次风的整定值。

  (3)最后进行主环整定值:把整定好的二、三次风量的副环作为主环的一个子系统,求取主闭环系统的整定值。

  (4)煅前加料系统虽采用圆盘给料机变频控制,但只能实现均匀加料的目的,无法满足回转窑生产工艺最佳控制要求,故需要实现煅前加料系统和整个回转窑系统的自动闭环控制,根据回转窑工况和各项工艺参数的要求,自动调节下料量。才能为整个控制系统的最优控制创造条件。

  7 二、三次风机变频控制的功能

  (1)通过对二、三次风机变频调速控制,使二、三次风量给定的调整更加迅速、准确,并实现了连续微调功能。解决了过去采用挡板只能粗调风量的缺点。

  (2)二、三次风机的变频调速的应用,降低了风机电耗,节约了能源。

  (3)变频器的无级调速功能的利用,使二、三次风量调整过程中,对回转窑控制系统影响降低到最小。

  (4)实现了远程操作和调节的功能,更加方便分散控制操作。

  (5)变频技术的应用,有利于回转窑自动控制系统和最佳煅烧工艺的实现。

  (6)变频器的应用,使二、三次风机的运行状态实现了在线监控功能。

  8 系统主要参数及要求

  随着生产过程向着大型、连续和高控制方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能有相当多的要求,对能源消耗和环境污染也有明确的限制。二、三次风量的控制过程中,其有关参数要求满足附表规定。

  三、结束语

  变频器的高精度、宽范围的无级调速功能,解决了旧的二、三次风量调节的方法所存在的调整困难、只能粗调、能源浪费的问题;变频器的多保护功能的利用,使回转窑二、三次风机电机烧坏的次数几乎降为零。变频器在我厂3台回转窑上应用3年来,6台电机无1台被烧;变频技术的应用,对回转窑控制系统的的多极控制方式实现,提供了帮助;变频器的应用,使系统控制更加准确、可靠、操作便利,设备使用寿命延长,维修量减少;同时降低了操作人员的劳动强度,达到了节能降耗、降低烧损率、提高煅烧质量的效果。

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