西门子G120变频器在气垫式连续热处理炉气垫压力系统节能改造中的运用

周 勇

西南铝业集团有限责任公司压延厂 重庆 401326

前言

西南铝压延厂1#气垫式连续热处理炉,以下简称气垫炉,其用途是将铝带卷连续进行开卷、加热、退火(淬火)热处理、拉矫等工艺,并卷成所要求的成品卷。气垫炉炉区共有18个燃烧区,每个燃烧区各有单独的气垫热风循环控制系统,其控制系统由气垫循环风机、气垫循环风机电机、风道、风门调节机构、上下气垫箱组成,主要功能是将加热后的热空气送入气垫箱,形成热风气垫,控制气垫压力,托举热处理带材和对带材加热。经过多年的运行,存在以下问题：1、气垫循环风机拖动电机每区1台(电机功率75KW),共有18台,采用高低速双速电机,炉温低于200℃时,循环风机电机低速运转,气垫压力限制在60毫米水柱内,炉温高于200℃以上,循环风机电机高速运转,气垫压力限制在150毫米水柱内,防止电机过流。气垫压力调整是通过调整风道风门开口度控制,电机恒速运转,其电能消耗较高,不符合节能降耗要求。2、风门调整执行器采用开关量控制,断续调整,动态响应较慢,气垫压力时有波动,在生产厚度0.6mm以下带材时,造成带材在炉区内上下跳动,产生擦划伤,气垫压力控制精度已不能满足生产需求。鉴于以上情况,对气垫炉气垫热风循环控制系统进行改造是非常有必要的。

1 系统改造方案制定

1.1 方案论证 取消原风门调节执行器,风门全打开,使用循环风机电机高速档,采用交流变频器控制电机转速,来调节气垫压力,从而达到电机节能目的。由于改变了热风循环控制模式,有可能造成气垫压力控制不稳定和影响炉温均匀性。于是采用局部改造论证方式进行,选择气垫炉第10区和18区两个敏感区进行方案论证,采用两套交流变频器替代原有电机控制系统,在主回路进线侧加装电度表,修改PLC程序,使用PID控制器,通过交流变频器无极调整电机转速来控制气垫压力,并在相邻炉区未改电机控制系统加装电度表,在相同工况下比较其用能情况。通过多轮料温测试和炉温均匀性测试,完全满足生产要求。气垫压力控制满足原有设计精度。通过能耗对比,节能15%以上。

1.2 实施方案 一是拆除原18个区循环风机柜、进线电源柜、辅助电源柜等,在原安装位置重新配置新的风机控制柜和进线电源柜。新风机控制柜采用目前先进元器件和西门子G120交流变频器。各交流变频器与原主PLC之间采用工业以太网PROFINET接口进行数据交换。二是拆除原有18套风门控制器,风门全打开固定。三是修改PLC程序,使用PID控制器,对气垫压力进行闭环连续控制。

1.3 G120变频器的特点 面向未来的模块化设计,提供了变频器的高度灵活性,可以在带电情况下进行模块更换。安全保护功能的集成,使它更好的应用于有安全保护要求的设备。提供强大的通讯功能,支持PROFINET或PROFIBUS以及PROFIdrive profile4.0,减少了接口数量,全厂范围内组态,操作更为简单。PM250创新的电路设计,运行负载的动能回馈到电网,为节能提供了巨大空间。

2 风机类变频调速节能原理

风机负载具有变转矩的特性,即转矩随速度的上升而上升。负载和速度的平方成正比,从输出功率P与风机转速关系P=Kω3(K—风机常数,ω—电机旋转角频率)功率和速度是三次方的正比关系,其关系曲线如下图所示。

3 调试的重点和难点

气垫压力控制系统取消原有18个区炉膛气垫压力调节送风档板电动角行程执行机构,气垫压力由变频器调节风机转速,控制风机送风量的大小进行调节。板材宽度及炉膛温度对气垫压力影响较大,为得到较为平稳的气垫压力,就需要频繁调节风机转速,为达到较高的控制精度和较快的调节响应速度,我们采用PID调节器对气垫压力进行控制。其控制框图见下图。

如图所示,当压力检测传感器检测的气垫压力大于气垫给定压力时,PID调节器自动减少控制输出量,通过变频器降低风机转速,减少风机送风量,直到压力检测传感器检测的气垫压力等于气垫给定压力,才停止调节,当压力检测传感器检测的气垫压力小于气垫给定压力时,PID调节器自动增加控制输出量,通过变频器提高风机转速,增加风机送风量,直到压力检测传感器检测的气垫压力等于气垫给定压力,停止调节。在实际调试过程中,由于PI参数搭配不当,造成系统振荡,无法将气垫压力控制在有效范围内,通过分析有可能P参数过大,造成系统振荡,于是减少P参数,适当增加I参数,当P参数减少到0.2时,系统马上趋于平稳,气垫压力精度控制在±2毫米水柱内。

4 改造后效果

通过对气垫炉气垫热风循环控制系统进行改造,节能效果明显：改造前本年度气垫炉电单耗为214千瓦时/吨,改造后本年度电单耗为174千瓦时/吨,节能18.7%。由于采用PID调节器,通过变频无极调速,提高了气垫压力调节动态响应性,气垫压力控制精度由原有±4毫米水柱提升到±2毫米水柱内,缓解了带材在炉区内上下跳动,产生的擦划伤,提高厚度0.6mm以下带材成品率15%。