前纺FDY/POY装置空气调节变频改造

任学标

(中国石化仪征化纤股份有限公司长丝加弹中心，江苏仪征 211900)

一般来说，生产车间内的空气温度、湿度、流动速度、含尘浓度与新鲜度必须满足生产工艺和人体舒适的要求，不可因室外空气参数和室内各种因素的变化而变化。而仪化长丝加弹中心前纺POY/FDY装置原有空气调节系统用的是阀门、阀板控制，既不经济，能耗也大，加上设备陈旧老化，必须进行改造。改造方案提出多种，最终采用变频调速控制技术，通过改变输入到交流电机的电源频率，达到调节交流电机转速的目的，从而改变风机出风量。

1 存在问题

原空气处理系统采用一台西门子45 kW三相异步电机驱动，电机启动方式为星－三角启动，能耗大，启动电流是正常工作电流的3～6倍，风压采用阀板、阀门控制，这种调节方式既不方便，又浪费大量的电能，很容易造成阀门及风机的损坏，出现异常情况不能及时发现处理。

2 改造过程

2.1 变频改造技术方案

由HONEYWELL DCS对风压进行闭环控制。由现场现有的压力传感器测量风压，经信号分配器，一路送至DCS，一路送至现场控制柜上压力显示仪表。DCS输出4～20 mA转速调节信号至现场(目前已至现场现有控制柜中)。变频器设定值具有“自动－手动”切换功能，“自动”信号来自DCS，“手动”信号来自现场控制柜上显示仪表。变频器启动、停止由新增控制柜上的启动、停止按钮控制。变频器启动后运行正常时须给出“运行”信号至DCS，发生“过载”或“接地”等故障时须给出“故障”信号至DCS和现场蜂鸣器。控制柜上由指示灯指示变频器进线电源分合闸状态，控制柜采用下进线方式，零地线分开。控制柜由安装在侧面的冷却机冷却，控制柜颜色与现场现有控制柜统一。所有现场送至DCS的信号均须进行可靠隔离，不得有干扰信号进入DCS影响DCS系统稳定运行。

2.2 改造后达到的目的

对电机采用变频调速自动控制，改造后能够较大幅度节能降耗，延长轴承、过滤袋的使用寿命，而且风压控制稳定，调节灵活，也为产品开发提供了基础。

2.3 技术要求

a)电机变频控制分手动和自动控制两种，正常采用DCS自动控制，便于中控室值班人员及时掌握现场工作状态;

b)2台差压变送器，量程0～10 kPa，4～20 mA信号输出;

c)变频改造后原来电气柜中工艺风机电机星－三角启动电路全部拆除;

d)变频改造后原来电气柜中送到DCS的电机运行状态指示和故障指示信号改为由变频器给出，送到无纸记录仪，原来电气柜中的电机启停命令信号送到变频器;

e)变频器参数设置合理，电机启动、停止、运行过程中的温升、振动、电流无明显异常;

f)采用专用仪表实现压力PID调节，用无纸记录仪记录历史数据，显示趋势。

2.4 变频控制的基本工作原理

2.4.1 DCS 自动控制

利用该厂前纺现有DCS控制系统，对管道风压实行单回路PID自动控制。控制回路由压力传感器、DCS模拟输入点、常规控制点、模拟输出点、变频器组成。由现场新增的压力传感器测量风压，将4～20 mA信号送入DCS，通过PID调节回路，再将4～20 mA信号送入变频器频率设定通道，变频器按该设定值输出，调节电机转速，控制风压稳定。DCS内新建控制点，具有PID调节、历史数据记录、趋势显示等功能。如图1所示。

图1 POY/FDY装置风机变频改造DCS控制原理示意

2.4.2 PID 手动控制

为防止DCS自动控制系统出现故障，设计时，增加1套PID手动调节系统，确保系统工作稳定可靠。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，变频器接受PID调节器的信号对风机进行速度控制，控制器综合给定信号与反馈信号后，经PID调节，向变频器输出运转频率指令。由变频器输出相应频率和幅值的交流电，在电动机上得到相应的转速。控制回路由2台压力变送器、PID调节仪和变频器组成。压力传感器安装在离风机10 m远处的风道中测量风压，变换为4～20 mA信号送入PID调节仪，进行PID调节，PID调节仪的输出控制信号(4～20 mA信号)送入变频器频率设定通道，变频器按该设定值，调节电机转速，控制风压稳定。另1台压力传感器安装离风机大约100 m处的工作现场，测量工作现场风压，变换为4～20 mA信号送入无纸记录仪端子，记录历史数据和显示趋势及报警。见图2所示。

图2 POY/FDY装置风机变频改造现场PID调节控制原理示意

2.5 变频器的选型

现今变频器品牌很多，考虑到该厂实际，选用富士FRN45F1S－4C511型变频器作为工作变频器，额定参数为:Ue=380 V，Ie=85 A，Pe=64 kVA，其理由是该型变频器采用了动态转矩矢量驱动控制技术。控制系统高速计算电动机驱动负载所需功率、最佳控制电压和电流矢量，最大限度地发挥电动机的输出转矩。按照动态转矩矢量控制方式，能配合负载实现在最短时间内平稳地加减速。使用高速CPU能快速响应急变负载和及时检知再生功率，设有控制减速时间的再生回避功能，实现无跳闸自动减速过程。同时在同类进口变频器中价格较低，且具有适合风机的自动节能运行特点。

3 改造后的特点和效果

3.1 节能效果

根据流体力学原理，风机水泵负载的流量Q与转速N成正比，而所需功率P与转速N的3次方成正比。因此当风量小于额定风量时，改变电机转速，其功率明显下降，具有显著的节能效果。节能效果计算如下:

a)改造前风机实际运行情况:

I实=54.875 A(24 小时平均值)，U实=380 V，COSφ实=0.78

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

b)改造前原风机DCS控制室24 h记录值(表1):

表1 改造前原风机DCS控制室24 h记录值

日期:2011年5月20日

电流平均值=∑I/24=1317/24=54.875 A

c)改造后原风机DCS控制室24 h记录值:

日期:2011年7月20日

电流平均值=∑I/24=995/24=41.458 A

表2 改造后原风机DCS控制室24 h记录值

d)在保持输出功率不变的情况下电流由54.875 A 降为41.458 A，所节省电能为:

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

e)年节电量为:

W=8.4 kW ×24(每日)×365(一年)=73 584 kWh

f)全年节省费用:

每度电按 0.6元计算，73 584×0.6=44 150.4元。

由此可见，节能效果非常明显。

3.2 空气调节效率

风机的工作效率由下式计算:

式中Q为风量，n为转速，C1、C2为常数

通过风门控风量时，因转速n不变，而流量Q下降，故效率ηp下降，而通过转速控制风量时，风量与转速成正比，比值(Q/n)不变，故效率ηp始终保持最佳状况。

3.3 其它

操作简单方便，维护量小，风机稳定性大为提高。由于实现全自动无级调速，可使电机连续平滑稳定变速。

3.4 注意事项

运行中需注意风机转速不能过低，避免电机过热;在调节风机速度时，应避免与设备产生共振，防止高次谐波损耗、电磁波干扰，必要时加装相应容量滤波装置。

4 结语

采用交流变频调速器对风机进行节能改造，不但操作简单方便、节约电能、降低生产成本，而且大大地改善了风机的运行条件，减少了风机、阀门等的维护量。该变频改造项目已连续运行两年多，系统运行可靠平稳，通讯数据准确及时，使设备管理规范化，提高了工作效率，需要在线改变的量通过DCS人机界面直接设定，简单直观，便于操作。DCS远程自动控制与现场PID手动调节，相互补充结合使用，实现了该系统的远程控制变频和手动即时变频等功能，在实际使用中取得良好的效果，值得推广到其他行业应用。