变频调速恒量供气在双膛竖窑中的应用研究

南国英

(山西太钢工程技术公司，山西 太原 030003)

1 概述

气烧并流蓄热式双膛竖窑具有节约能源的功能，为了更好地将双膛竖窑的节能功能发挥到最佳效果，就需要有高效、稳定的燃烧控制系统。为了提高燃烧控制系统的高效性、节能性，双膛竖窑燃烧控制系统放弃常规的管道阀门调节控制，而是采用了更节能、高效的变频调节控制[1-3]。双膛竖窑燃烧控制系统中用到的变频器的风机有煤气加压机、助燃风机、冷却风机和废气除尘风机。其中，煤气加压机、助燃风机、冷却风机选用的是罗茨风机，废气除尘风机是脉冲布袋除尘器选用的是离心式通风机。每座双膛竖窑由于设计的产能不同，选用的风机送风能力不同，造成选择的风机数量不同，因此选择的变频器也不尽相同。本文以现阶段应用较为广泛的600 t/d气烧双膛竖窑来阐述变频调速在恒量供气中的应用。

2 风机工作原理

罗茨风机属于容积式回转风机，罗茨风机机壳内有2个三叶叶轮(如图1)，在电机带动下，2个叶轮会相向转动，当叶轮转过进气口之后，2个叶轮和墙板及机壳之间会形成一个密封的腔室，叶轮继续转动，密封腔室里面的气体会被压入排气口，如此反复将气体经过进气口和排气口输送至目的地，实现风机送风的目的。在恒速运转起来之后，风量基本不会发生变化，当前方压力稍有变化时，也能够持续恒风量进行气体输送。当风机速度变化时，风量也随之变化。风机转速与风量成正比[3]。

图1 罗茨风机具体的工作原理流程

3 恒量供气内部PID调节原理概述

第148页图2为石灰窑恒量供气系统图，该系统变频器为电机提供了可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使供气量连续变化。流量传感器用来检测管网供气流量。热值仪用来检测煤气瞬时实际热值Q测。PLC控制单元根据石灰窑产量(T,t)和热值仪测的煤气瞬时实际热值Q测为系统提供满足用户需要的每个煅烧周期(t/min)内煤气的瞬时流量V煤(Q/Q测)和瞬时空气量V空的风量期望值。经PLC控制单元内部PID控制程序计算，输出给变频器一个转速控制信号。通过调节PID参数来调节变频器的输出频率，从而调整煤气加压机和助燃风机转速，改变煤气加压机和助燃风机流量，使每个煅烧周期风量保持恒定[4-5]。

图2 石灰窑恒量供气系统图

4 变频调速在石灰窑恒量供气中的应用

新疆某石灰窑项目，石灰产量为：400 t/d～600 t/d，需设计供气系统，保证石灰窑能够正常生产，并注意节能和系统成本的最优化，采用变频恒量供气系统设计此项目。

4.1 设计思路及元件选择

在变频恒量供气系统中，设计时应按以下步骤进行：

管网系统设计，计算管网的阻力和管道直径。

选择流量控制点，不同的流量控制点对应不同的设备初始投资和管网运行费用，应按技术经济分析进行选择。

选择罗茨风机：主要考虑两方面：1)流量要求，应能满足石灰窑每个煅烧周期内的风量需求。2)压力要求，应满足石灰窑正常生产时的管道压力和窑内压力。3)转速要求，应满足1 t以下的风机转速应该在2 000 r/min以下，1 t以上的控制在1 000 r/min～2 000 r/min，口径200 mm以上三叶、两叶风机要在1 000 r/min以下，选择中低转速，避免高转速，这样才能使风机的使用寿命延长。

风机的数量：按照每台风机的供风量、石灰窑系统最大用风量和合适的备用风机量进行选择，一般情况下选择3台煤气加压机，5台助燃风机。

变频器的选择：在满足系统运行要求的前提下，按照罗茨风机的电机功率,选择变频器的功率。

变频器的数量：根据工艺要求煤气加压机2台同时工作才能满足要求，故选择3台变频器(2用1备)；助燃风机则选择2台变频，3台工频。

4.2 变频恒量供气系统(FC302变频器)的主回路和控制回路(见图3和第149页图4)

图3 变频恒量供气系统的主回路

图4 变频恒量供气系统的控制回路

4.2.1 变频器变频恒量供气系统以FC302变频器为例端子功能设置(见第149页表1)

表1 变频恒量供气系统端子功能设置

4.2.2 运行方式

该系统有手动和自动两种运行方式：

4.2.2.1 手动运行

选择手动模式时，在现场操作箱(AW)面板上将风机电机和风机电机冷却风机选择开关QT、QT2都旋转至就地，此时，按下风机电机冷却风机(先启后停)启动按钮SF，接触器KEM吸合，风机电机冷却风机启动运行，然后按下风机电机启动按钮S2，然后将加减速开关QT1旋转至加速位，风机加速，要停止时可以将加减速开关QT1旋转至减速位，直至风机停止，再按下停止按钮S0停止变频器输出，最后按下风机电机冷却风机停止按钮SS停止冷却风机。用该步骤可以启停不同的风机。该方式主要供检修及变频器故障使用。

4.2.2.2 自动运行

选择自动模式时，将主回路开关QF、QF1合闸，控制回路开关QF2合闸送电，现场所有风机电机和风机电机冷却风机操作箱(AW)面板上选择开关QT、QT2都旋转至集中(远程)，风机电机冷却风机运行接触器KEM得电吸合，冷却风机启动运行。主回路正常、控制回路正常、冷却风机运行，由上位机通过ProfiBus总线给变频器下达启动命令，并将变频频率预设值下达PID调节器，变频器输出频率从0上升，到达PID调节器预设值，同时PLC接收到来自流量传感器和热值仪的标准信号，经运算与给定热量参数进行比较，将调节参数送给变频器，如热量不够，则频率上升，如热量超出预设值，则频率下降，使系统热量供应平稳运行。变频运行时，控制回路中Ralay1闭合，接触器KA1得电，KT1复位。

停机时，上位机下达停机命令，变频立即停止输出，风机惯性停车，Ralay1断开，接触器KA1失电，KT1开始延时计时，冷却风机在15 min后停止运行，延长了电机的使用寿命。

4.2.3 保护

当冷却风机过热时，热继电器KH跳闸，KEM控制回路断电，冷却风机停止运行，变频器有故障信号输入，变频器停止输出，风机停止运行。

4.3 故障处理和维护方法

当出现缺相、变频器故障、热值不达标等情况时，系统皆能发出声响报警信号，特别是当出现缺相、变频器故障、热值不达标时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。

在风机数量等条件满足开窑条件时，中控室可以继续开窑生产，同时维修人员维修故障设备。

5 结语

变频调速系统在恒压供气方面，无论在工程初期的投资，生产运行中的经济性，还是系统本身的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且节能效果显著，在实际中被证明是目前最优的系统设计，越来越得到广泛的大量应用。