罗克韦尔自动化变频调速技术在氧化铝输送系统中的应用

1  前言
氧化铝作为电解铝厂的主要生产原料在我国许多厂家尤其是新建厂中几乎都是通过超浓相输送系统供给电解车间的。其主要流程是：贮仓中的氧化铝经过配料计量后加入风动溜槽，之后在配套离心风机提供的高压风作用下，分别送入各个电解槽上部料箱供电解使用，废气则通过溜槽上部的排放口溢出。与其它送料方式相比，这种输送方式具有设备磨损极小，寿命长，氧化铝破损率低，能耗少等优点。
兰州铝业股份有限公司超浓相输送系统共分为三区，每区配有9-19№7.1D型高压风机2台，风量7376m3/h，压力11596Pa，所配电机为Y250M-2，额定功率55kw。电解所需全部氧化铝及80%的氟化盐通过长约488 m的输送溜槽分别送入两个厂房，再经过支流槽分别供入76台电解槽的槽上料箱。风量、风压调整则通过风机出口一DN400的蝶阀完成。系统自2001年底投入使用以来，为保证电解用料起到很大的作用。但是由于在系统设计时，离心风机的风量、风压通常按为系统中配置的所有电解槽同时供料，并且保证系统供料速度大于消耗速度，再考虑一定的安全裕量来选定。而在实际生产中由于电解槽所处工况不一，多数情况各电解槽料箱需添加的料量不等，使实际用风量和风压远小于设计值，并要经常进行调整。风量、风压的调整又是采用人工控制风机出口蝶阀的开度来实现。在这种运行方式下，电机始终处于全速运转状态，系统用风量也无法根据系统工况及时调整，致使系统出现流槽堵塞，料箱排气不畅，跑料等现象，从而造成打料时间延长，工人劳动强度大，原料浪费，用料无法保证，且浪费能源。
2  应用变频调速技术对风机性能参数的影响
风机属平方转矩负载，转速n的变化，将引起电机转矩T和功率P的强烈变化。由流体力学理论可知，在只改变风机转速的条件下，风机流量与其转速一次方成正比，压力与转速平方成正比，功率与转速三次方成正比：


其中Q、H、P、n分别表示风机的流量、压力、功率和转速，带有下标 “0”的表示额定工况参数。
由此可知，在系统中应用变频调速技术，及时调整电机转速，风机可以迅速响应由于溜槽输料量的变化引起的风量风压变化，同时使能耗大为降低。
3  变频调速技术在输料系统中的应用
变频调速技术是通过变频器将标准的交流电转换成频率可调的交流电，供给电机并能对电机转速进行调节的装置。变频调速技术在国内经过十多年的应用推广，得到了飞速发展。变频器已广泛应用于国民经济的各个行业，尤其在风机水泵类中显着促进了节能改造，改善了生产过程。
3.1 变频调速原理
本系统采用现场PID调节器控制变频调速风机，它具有调节精度高，响应速度快，设备稳定性好，防护等级高，操作简单，维护方便等优点，在现场运行的实践中达到了预期的效果。
其控制结构图和PID控制框图见图1和图2：

图1

图2

变频调速装置在手动状态进行调试，经过实践摸索，确定最佳工作风压在4500Pa，当全部设备调试完毕后转入自动状态，变频器通过采集来自反馈端的压力测定值，与给定值作比较后送入PID调节器，由变频器自动调整电机频率，进而调整风机转速，控制输料系统的风量风压，达到无人值守状态下自动稳定运行。
3.2 变频调速装置的主要配置及功能
变频调速装置与输料系统相对应，即分为三套，每套配美国AB公司生产的PowerFlex700型变频器2台，55kw， 在变频器柜体内还配有PID调节器2台以及空气开关、信号隔离器、继电器、互感器、频率表等。在风机出口设有压力变送器2台。
变频调速装置设置的主要功能有：
⑴ 手动自动设定转换
手动状态：人为设定频率（根据经验设定）
自动状态：根据反馈值闭环调节
⑵ 面板指示
频率显示，电流电压显示，运行状态显示，风管压力设定值及实际值显示。
⑶ 报警
变频器故障报警，料位高低报警。
复位按钮对变频器软故障进行复位。
3.3 注意事项
⑴ 安装环境：变频器的使用环境温度一般在0~50℃，因此，一定要考虑通风散热。
⑵ 预防干扰：为提高控制系统灵敏度，防电磁波干扰，柜内仪表和电子系统应选用金属外壳屏蔽干扰，所有元器件均应可靠接地，连线亦应选屏蔽控制电缆。
⑶ 避免共振：为防止电机工作在风机共振点转速区，应设定变频器的回避频率及其宽度值。
4 效果分析
4.1 输料工艺效果
该控制系统投入运行后，风压始终保持在恒定的数值，大大缓解了电解槽料箱跑、漏料的现象，同时大大减少了工人处理因风压过小、过大造成的溜槽堵塞或排气箱堵塞的工作量，电解车间缺料现象明显减少，对稳定生产起到明显效果。
4.2 节能效果
打料风机变频控制系统投运前，两台55kw离心风机为76台槽和为1台槽送料时，电机所消耗的功率大体上是相同的。打料期间，电机始终运行在50HZ，电流平均80A的状态下。控制系统投运后，电机运行频率一般在30HZ，电流平均35A。按功率因数0.86，每天打料时间5小时，电费0.3元/kwh计算，系统投运前3个区6台风机每年的电费为：
1.732×380×80×0.86×5×0.3×6×365=14.87万元
改造后每年的总电费为：
1.732×380×35×0.86×5×0.3×6×365=6.51万元
每年节约电费：8.36万元
5  结语
变频调速技术操作维护简单、调速范围广、控制灵敏准确、响应速度快，可确保输出量随时与工艺实际工况要求相平衡，拖动电机与负载处于最好的匹配运行状态，节能效果显着，同时，延长了易损件的使用周期，降低维修费用，具有很好的使用价值和显着的经济效益。