變頻器在回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)機(jī)控制中的使用

　　異步電動(dòng)機(jī)是冶金、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動(dòng)力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化，過(guò)去許多設(shè)備負(fù)載變化，只能依靠擋板或閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)，從而造成很大的能源損耗和電能浪費(fèi)。近年來(lái)，隨著變頻器生產(chǎn)技術(shù)的成熟以及變頻器應(yīng)用范圍的日益廣泛，應(yīng)用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)控制進(jìn)行技術(shù)改造，成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效益的重要手段。

　　中鋁青海分公司碳素1#、2#和3#煅燒回轉(zhuǎn)窯，是1987年建成投產(chǎn)的。其系統(tǒng)控制落后，結(jié)構(gòu)不完善，控制器件、測(cè)量?jī)x表老化嚴(yán)重。在實(shí)際運(yùn)行中，設(shè)備故障頻繁，生產(chǎn)長(zhǎng)期依靠現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)操作，生產(chǎn)方式落后，燒損率高，耗能大。為此，2003年應(yīng)用PLC和變頻器對(duì)回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)改造。這種煅燒回轉(zhuǎn)窯控制技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)較為成熟和先進(jìn)的控制方式之一。

　　回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝控制比較復(fù)雜，其煅后焦產(chǎn)量、質(zhì)量及煅燒實(shí)收率等產(chǎn)品性能受煅燒帶溫度、煅燒帶位置、揮發(fā)份濃度、氧氣濃度、窯頭窯尾負(fù)壓、燃料（煤氣或天然氣）補(bǔ)給量、物料投入量及均勻性等各項(xiàng)工藝參數(shù)的綜合影響。而煅燒帶溫度、位置、二、三次風(fēng)給量有密切關(guān)系。在舊系統(tǒng)控制生產(chǎn)中，憑操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整窯頭窯尾負(fù)壓、給料量、窯體轉(zhuǎn)速、二三次風(fēng)量及燃料配比，實(shí)現(xiàn)煅燒帶溫度、位置的控制，易造成煅后焦熱處理波動(dòng)較大，燒損率高等問(wèn)題。對(duì)煅燒回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量、煅后焦質(zhì)量、窯內(nèi)襯壽命、燃料消耗、窯尾煙氣凈化等有不利影響。

　　二、系統(tǒng)的組成及原理

　　1 二、三次風(fēng)對(duì)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝的影響

　　回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)給量大小，決定著窯內(nèi)煅燒待溫度和其位置，在回轉(zhuǎn)窯控制中，一般要求窯內(nèi)煅燒帶溫度控制在1270±30℃范圍，煅燒帶位于窯體中部（即二、三次風(fēng)嘴之間），而且保持較長(zhǎng)距離最好。二次風(fēng)的給量決定著煅燒帶的溫度、長(zhǎng)度，若風(fēng)量不足，會(huì)使窯內(nèi)煅燒帶的溫度降低，料中的揮發(fā)物揮發(fā)不充分，煅后焦品質(zhì)低；過(guò)量的給風(fēng)，又會(huì)使煅燒料燒損率過(guò)高。三次風(fēng)給量決定著窯尾溫度和煅燒帶的延續(xù)程度：如三次風(fēng)給定不足，會(huì)使揮發(fā)物燃燒不充分，窯尾溫度低，易結(jié)圈，熱量利用率低；過(guò)量又會(huì)使煅燒料燒損加劇，窯內(nèi)負(fù)壓降低。其二、三次風(fēng)供給裝置在回轉(zhuǎn)窯體上的位置如圖1所示。

　　圖1  回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)機(jī)設(shè)置位置圖

　　2 影響二、三次風(fēng)給定的因素

　　通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)窯的綜合分析和測(cè)定，影響二次風(fēng)給定的有關(guān)因素很多，如圖2所示。其主要因素有：加料量；物料流動(dòng)速度；窯頭、窯尾溫度；燃料流量；一、三次風(fēng)給定量等參數(shù)。影響三次風(fēng)量給定的因素與二次風(fēng)類(lèi)似，其詳細(xì)內(nèi)容略。

　　圖2  影響回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)量給定的因素圖

　　3 二、三次風(fēng)機(jī)控制原理

　　隨著炭素生產(chǎn)過(guò)程的回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)的探索和發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程控制向大型、連續(xù)、多級(jí)和復(fù)合功能方向發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)工藝操作規(guī)程的要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜。產(chǎn)品的品質(zhì)指標(biāo)的不斷提高，直接要求控制系統(tǒng)的精度和功能要有較大幅度的提升，同對(duì)能源消耗和環(huán)境污染也要求更高。二、三次風(fēng)作為回轉(zhuǎn)窯的副控制回路:三次風(fēng)調(diào)節(jié)為前端的控制，承擔(dān)下料量波動(dòng)時(shí)的“粗調(diào)”;二次風(fēng)調(diào)節(jié)主要承擔(dān)物料波動(dòng)較大和燃燒帶溫度、位置波動(dòng)等情況下的調(diào)整。

　　二、三次風(fēng)量原來(lái)采用工頻電源控制，風(fēng)量采用當(dāng)板開(kāi)、閉調(diào)整，由于窯體旋轉(zhuǎn)，其調(diào)整時(shí)停窯，影響面廣、準(zhǔn)確性差，全憑操作人員經(jīng)驗(yàn)操作。應(yīng)用變頻器調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作、微動(dòng)細(xì)調(diào)節(jié)的功能，解決了舊系統(tǒng)調(diào)整方法對(duì)回轉(zhuǎn)窯的影響。實(shí)踐證明，應(yīng)用PLC軟件對(duì)主要因素的綜合處理功能和變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使回轉(zhuǎn)窯的二、三次風(fēng)給定量更加準(zhǔn)確。其原理如圖3所示。

　　圖3  二、三風(fēng)機(jī)變頻器閉環(huán)控制原理圖

　　4 自動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)系描述

　　在回轉(zhuǎn)窯多回路控制系統(tǒng)中，其控制方式是由多個(gè)測(cè)量值、多個(gè)調(diào)節(jié)器、補(bǔ)償器和解耦器等組成多回路、串級(jí)控制系統(tǒng)：負(fù)壓是主控制調(diào)節(jié)，二次風(fēng)變頻調(diào)節(jié)量和三次風(fēng)變頻調(diào)節(jié)量是副控制調(diào)節(jié)。為了保證煅燒產(chǎn)品質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制揮引起煅燒熱力場(chǎng)溫度變化，其擾動(dòng)因素主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：物料和助燃風(fēng)量。在物料方面主要是物料下料流量、物料入口溫度、物料化學(xué)成分和物料停留時(shí)間；在助燃風(fēng)量方面主要是三次風(fēng)量偏差、二次風(fēng)量偏差和漏風(fēng)量。這些擾動(dòng)量，由于作用地點(diǎn)不同，因此對(duì)于煅燒溫度的影響各不相同。如：當(dāng)物料下料流量波動(dòng)時(shí)，會(huì)造成水分干燥段溫度的波動(dòng)，它要跟蹤調(diào)節(jié)波動(dòng)量的變化，不能在煅燒1號(hào)掃描系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)才做出相應(yīng)的三、二次風(fēng)的調(diào)節(jié)，需要在煅燒2號(hào)掃描系統(tǒng)產(chǎn)生超限波動(dòng)時(shí)，就進(jìn)行相應(yīng)的三、二次風(fēng)的調(diào)節(jié)，最后調(diào)節(jié)負(fù)壓（采用變頻器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)壓的目的）。從其控制特性來(lái)看，是一種典型的串級(jí)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)負(fù)壓控制為主控制回路，三、二次風(fēng)為副控制回路，窯體變頻轉(zhuǎn)速為輔助主變頻控制回路，能夠加快系統(tǒng)控制速度和響應(yīng)時(shí)間。

　　在回轉(zhuǎn)窯總控制系統(tǒng)中為實(shí)現(xiàn)最佳煅燒過(guò)程控制，采用負(fù)壓控制和二、三次風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其控制對(duì)象主要是原料中揮發(fā)份最大析出溫度、煅燒最高溫度以及回轉(zhuǎn)窯壁溫度（窯體輻射熱量散失）。二、三次風(fēng)量采用變頻器控制風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)目的。上位機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器獲得穩(wěn)定場(chǎng)的分布判斷和實(shí)際參數(shù)大小，并通過(guò)微處理器分析、比較、合成等綜合處理。并由PLC發(fā)出控制電信號(hào)（4～20mA），控制二、三次風(fēng)機(jī)變頻器以及回轉(zhuǎn)窯其它裝置（燃燒室引風(fēng)電機(jī)的引風(fēng)功率、窯體轉(zhuǎn)速、下料量、燃燒嘴流量等參數(shù)），以保障整個(gè)回轉(zhuǎn)窯溫度、負(fù)壓等運(yùn)行狀態(tài)，滿(mǎn)足最理想的煅燒生產(chǎn)工藝條件和要求。

　　5 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)主要是由工控機(jī)、PLC（S7-300）、稱(chēng)量裝置（連續(xù)皮帶秤）、變頻器（MF-7.5kW-380）、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采樣器及監(jiān)控器等組成。二、三次風(fēng)機(jī)拖動(dòng)為5.5kW異步電機(jī)，分別采用7.5kVA的變頻器獨(dú)立控制，其參數(shù)給定由回轉(zhuǎn)窯總系統(tǒng)控制器承擔(dān)。上位機(jī)根據(jù)PLC采樣得到的實(shí)際物料溫度、煅燒帶高點(diǎn)溫度、煅燒帶界面溫度和窯內(nèi)負(fù)壓等參數(shù)，通過(guò)控制狀態(tài)的解析，將實(shí)際要求的給定數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，然后PLC發(fā)出控制二、三次風(fēng)供風(fēng)量的控制指令，變頻器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（風(fēng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)），完成系統(tǒng)控制任務(wù)。其控制系統(tǒng)如圖4所示。

　　圖4  回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)機(jī)實(shí)際控制系統(tǒng)圖

　　6 控制回路調(diào)試和整定

　　在實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試中,應(yīng)首先整定副環(huán),其次整定主環(huán),再循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副環(huán)的最佳整定的方法，其步驟如下:

　?。?）首先進(jìn)行三次風(fēng)量整定值：首先斷開(kāi)主環(huán)，按照單回路整定方法，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，得到第一次整定值。

　?。?）其次進(jìn)行二次風(fēng)整定值：把已整定好的副環(huán)作為二次風(fēng)副環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路整定方法，求取二次風(fēng)的整定值。

　?。?）最后進(jìn)行主環(huán)整定值：把整定好的二、三次風(fēng)量的副環(huán)作為主環(huán)的一個(gè)子系統(tǒng)，求取主閉環(huán)系統(tǒng)的整定值。

　?。?）煅前加料系統(tǒng)雖采用圓盤(pán)給料機(jī)變頻控制，但只能實(shí)現(xiàn)均勻加料的目的，無(wú)法滿(mǎn)足回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝最佳控制要求，故需要實(shí)現(xiàn)煅前加料系統(tǒng)和整個(gè)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的自動(dòng)閉環(huán)控制，根據(jù)回轉(zhuǎn)窯工況和各項(xiàng)工藝參數(shù)的要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)下料量。才能為整個(gè)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制創(chuàng)造條件。

　　7 二、三次風(fēng)機(jī)變頻控制的功能

　?。?）通過(guò)對(duì)二、三次風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制，使二、三次風(fēng)量給定的調(diào)整更加迅速、準(zhǔn)確，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)微調(diào)功能。解決了過(guò)去采用擋板只能粗調(diào)風(fēng)量的缺點(diǎn)。

　?。?）二、三次風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速的應(yīng)用,降低了風(fēng)機(jī)電耗,節(jié)約了能源。

　?。?）變頻器的無(wú)級(jí)調(diào)速功能的利用，使二、三次風(fēng)量調(diào)整過(guò)程中，對(duì)回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)影響降低到最小。

　?。?）實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作和調(diào)節(jié)的功能，更加方便分散控制操作。

　　（5）變頻技術(shù)的應(yīng)用，有利于回轉(zhuǎn)窯自動(dòng)控制系統(tǒng)和最佳煅燒工藝的實(shí)現(xiàn)。

　?。?）變頻器的應(yīng)用,使二、三次風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)控功能。

　　8 系統(tǒng)主要參數(shù)及要求

　　隨著生產(chǎn)過(guò)程向著大型、連續(xù)和高控制方向發(fā)展，對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能有相當(dāng)多的要求，對(duì)能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制。二、三次風(fēng)量的控制過(guò)程中，其有關(guān)參數(shù)要求滿(mǎn)足附表規(guī)定。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　變頻器的高精度、寬范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速功能，解決了舊的二、三次風(fēng)量調(diào)節(jié)的方法所存在的調(diào)整困難、只能粗調(diào)、能源浪費(fèi)的問(wèn)題;變頻器的多保護(hù)功能的利用，使回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)機(jī)電機(jī)燒壞的次數(shù)幾乎降為零。變頻器在我廠3臺(tái)回轉(zhuǎn)窯上應(yīng)用3年來(lái)，6臺(tái)電機(jī)無(wú)1臺(tái)被燒;變頻技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)的的多極控制方式實(shí)現(xiàn)，提供了幫助;變頻器的應(yīng)用，使系統(tǒng)控制更加準(zhǔn)確、可靠、操作便利，設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，維修量減少;同時(shí)降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到了節(jié)能降耗、降低燒損率、提高煅燒質(zhì)量的效果。