基于变频调速对造纸厂节能改造的分析

2010-11-22晏剑辉

中国造纸 2010年5期

关键词：造纸厂纸机传动系统

晏剑辉

(泸州职业技术学院,四川泸州,646005)

基于变频调速对造纸厂节能改造的分析

晏剑辉

(泸州职业技术学院,四川泸州,646005)

介绍了变频调速对造纸厂用电动机节能的原理,对造纸厂主要用电负荷的调速进行分析,提出了变频器控制系统的改进方案,减少生产设备运行时的空载与轻载能量消耗,达到节能的目的。

变频器;造纸厂;节能;改造

近年来,电力电子技术、变频调速技术的快速发展为造纸厂技术的更新提供了技术基础。通过对四川省泸州地区 20多家造纸厂的 7大系统的生产分析,发现许多造纸厂大多采用继电器控制方法对电动机进行控制,由于纸张的厚度和抄宽不同,采用这种方法造成电能的大量浪费。为了充分发挥效能,造纸厂急需对电动机控制系统进行技术改造,本研究是针对造纸厂主要耗电较大的 3大系统 (纸机传动系统、锅炉鼓风与引风系统、纸机供水系统)中的各类电机控制系统进行分析。结合我国各类变频器控制电动机的特点,提出了利用变频技术改进造纸厂 3大系统的生产设备的过程控制,减少空载与轻载运行时的能量消耗,以达到节约能源的目的。

1 变频器调速对电动机节能效果的理论分析

1.1 异步电动机调速原理

交流异步电动机旋转速度为:

其中,n为电动机转速,f为电动机输入端交流电压的频率,s为转差率,p为电动机定子绕组的极对数。调整这 3个参数中任意 1个均可以改变电动机的旋转速度。但是在调整极对数时需要改变电动机的绕组结构,并且调节呈阶梯型,调节范围小,改变转差率调节范围也很有限。而利用变频器来改变交流电源的频率,即可以实现对电动机无级调速,从而达到调节造纸厂传动电机、风机及水泵等设备转速的目的。

1.2 异步电动机调速节能原理及节能效果分析[1]

由流体力学可知,

P=QH

其中,P为电动机功率,Q为流量,H为压力(扬程)。当电动机的转速从 n1变为 n2时,Q、H、P的关系为:

根据上述分析可知,当效率一定,造纸厂生产过程中流量改变时,转速可以通过变频器调节电动机的转速,而此时电动机输出功率 P吸取的电能可以按照转速的立方关系下降,从而节约电能。

2 造纸厂主要用电负载的调速分析

2.1 造纸设备的几种调速方式

从造纸设备的调速方式现状来看,制浆造纸工业装机容量大,生产连续性要求高,但大部分造纸厂设备陈旧,工艺落后,尤其是调速方式落后,根据其生产工艺的特点,造纸厂可以采用以下几种方式调速。

(1)更换异步电动机的皮带轮进行有级调速。

(2)交流整流子异步电动机小范围无级调速。

(3)直流发电机组——直流电机调速。

(4)可控硅整流装置——直流电机调速 (小型纸厂常用)。

(5)电磁离合器——鼠笼电机调速。

(6)异步电机配用伞形皮带轮小范围调速 (切纸机多用)。

(7)交流变频器——异步电机无级调速。

2.2 基于交流变频器对造纸厂的改造分析

按照造纸厂生产工艺的流程,通常将造纸厂分为7大系统,它们是供浆系统、白水系统、真空系统、压缩空气系统、化学品制备及传送系统、供水系统和蒸汽系统;从用电性质来分析,可以将造纸厂上述 7大系统综合为 3大系统,即纸机传动系统、锅炉鼓风与引风系统、纸机供水系统。许多造纸厂采用继电器控制方法对电动机进行控制,从以上 7种调速方式来看,由于变频技术在工矿自动化系统中应用技术越来越成熟,同时造纸厂主要用电设备大量使用异步电动机,因此为了节约电能,减少空载与轻载运行时的能量消耗,本课题提出利用交流变频器对造纸厂进行改造。

2.2.1 纸机传动系统用电负荷[2]的生产分析

纸机传动系统的用电负荷共有 133 kW,分布在6个传动点:1号主压、2号主压、一缸、二缸 /三缸、压光、收卷等工艺段,各传递点滑差电机功率为55～11 kW。在正常情况下,实际生产时电机转速约为额定转速的 40%,造成电能浪费。

2.2.2 纸机传动系统控制的变频器配置

根据泸州造纸厂纸机传动系统生产工艺特点及要求[3],1号主压、2号主压是将纸浆压成纸,入口水分大,出口水分小,导致进出负载转矩相应波动大,3个大缸的作用是通过热蒸汽将纸烘干,属于恒转矩大惯性负载,减速时间长,一般需要 1 min左右,其中 3号大缸在卷取机换纸卷时具有瞬间突变性,要求控制系统具有快速跃变响应能力;因此对变频器的机械特点要求很高。艾默生变频器 TD2000适合用于恒转矩大惯性负载,艾默生变频器 TD3000适合用于瞬间突变性负载,根据这些生产工艺特点,提出纸机传动系统配置艾默生变频器。

2.2.3 锅炉鼓风、引风系统用电负荷[2]的生产分析

锅炉鼓风、引风系统的电机功率共有 52 kW。风量是通过调节风门开度大小来调节,由于风机的负载特性是功率与风量的 3次方成正比,通过变频器调节,当所需风量稍微减少,所需电能就能大幅度下降。纸机所需蒸汽在不断变化,锅炉燃烧程度和鼓风、引风量同时也在不断变化,通过转速调节风量来保持管道蒸汽压力的恒定,则可以达到节电、省煤与恒压供汽的目的。

变频调速主要通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出气量,从而达到控制管路的压力,调节空压机的能量,具有明显的节能效果。它能在一定范围内连续进行能量调节,满足空压机轻载时的运行需要,使制气量与实际用气量相匹配。电动机采用变频调速技术进行供气控制时,通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较后得到偏差,经P ID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值后,由变频器输出相应频率和幅值的交流电,使电动机上得到相应的转速。根据这些生产特点,锅炉鼓风、引风系统的变频器可以选用ABB ACS60变频器。

2.2.4 纸机供水系统用电负荷[2]的生产分析

纸机供水系统一般由 2台 55 kW水泵组成,大多数情况是 1台不够,2台浪费。由于企业的生产订单不同使所开纸机的台数不同,白天与晚上用水量也不同,导致用水量随时变化。水泵工作特性与风机类似,所以,通过改造亦可以达到节能的目的。同时,水泵长期低于额定转速运行,能够极大地延长电机水泵的寿命。

2.2.5 纸机供水系统控制的变频器配置[4]

本方案采用 1台变频器控制 2台启变频电机的启动,首先由变频器控制 1台电机启动,当启动频率达到工频时,如果此时水网水压力小于 4×105Pa,则由 PLC控制器控制中间继电器和接触器把这台电机切换到工频运行,此时变频器退出转而控制下一台电机启动。控制第 2台电机启动频率从 0～50 Hz变化,直到水网压力达到 4×105Pa。用水最高峰时会出现2台电机工频运行。但在平常运行中,1台电机工频运行、1台电机变频运行的情况较多。参与控制的 2台水泵均采用变频器电机,驱动器采用 ABB的ACS400系列变频器,该变频器过程参数比较方便地显示在变频器触摸屏上,全线控制由微型 PLC控制器 (FXOS-30MR)和 ABB的 ACS401004132变频器构成。

3 结语

造纸企业是高能耗企业,每吨纸所耗电能在 500 kWh以上,电能消耗十分严重。传统造纸机械采用的 SCR直流调速 (大功率)和滑差电机 (小功率)传动,在生产过程中经常由于机械磨损、传动带的打滑等因素造成速度匹配失调,形成断纸、厚度不均等现象。为了降低能耗、优化产品质量,提高劳动生产率。根据国内造纸设备和生产工艺的特点,本课题提出在每一个传动分部安装交流电动机并配置相应的变频器、使各分部能够实现同步控制,也能够在一定的范围内调速,减少空载与轻载运行时的能量消耗,达到节约能源的目的。

[1] 黄庆,覃琪河.变频调速技术在造纸厂的应用[J].中国造纸,2007,26:(11):30.

[2] 陈协田.造纸厂变频节能的改造[J].闽西职业技术学院学报,2006,30(12):119.

[3] 赖朝森.艾默生 TD3000变频器在造纸厂的应用 [J].变频世界,2007(3):91.

[4] 王付俊.PLC和变频器在造纸厂自动稳压水系统上的应用[J].中国造纸,2003,22(12):36.

[5] 向冬枝,鞠建军,韩建超.造纸厂空压机的节能方法与途径[J].中华纸业,2008(20):89.

Frequency Converter Speed Control-based Retrofit of the PaperM ill

YAN Jian-hui
(Luzhou Vocational&Technical College,Luzhou,Sichuan,646005)

Papermill energy-savingprinciple based on frequency converter speed controlwas briefly described.Based on themain power load production process analysis,the converter control system was designed to improve the process controlof the production equipment and reduce the energy consumption during the idle and light-load operation.

converters;papermills;energy saving;retrofit

TS736

0254-508X(2010)05-0057-03