变频器在中铝青海分公司回转窑二、三次风机控制中的应用———变

［摘要］：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。［关键词］：plc 变频器 回转窑
  1 引言
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。
  2 系统的组成及原理
2.1 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
  2.2 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
  2.3 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，同时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
  2.4 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。
2.5 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
  2.6 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。
2.7 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。
2.8 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。
   
  
  3 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。