變頻技術(shù)在造紙機(jī)械中的應(yīng)用
目前在紙機(jī)分部傳動(dòng)上使用的變頻器必須能同時(shí)具備以下特點(diǎn)
(1)調(diào)速范圍寬,在全速度范圍內(nèi),效率必須在90%以上;
(2)功率因數(shù)高于0.9以上;
(3)輸入諧波電流總失真小于3%;
(4)采用可靠性高、技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)器件IGBT;
(5)能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果
(一)、 造紙機(jī)變頻改造的前景和分析
據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì),我國擁有3780多萬噸生產(chǎn)能力,單機(jī)生產(chǎn)能力在5萬噸以上以及紙板機(jī)生產(chǎn)能力在10萬噸以上的不足三分之一,尚有三分之二以上的生產(chǎn)能力需要投入巨資改造,其中至少三分之一的紙機(jī)需要部分或全部更換原來的傳動(dòng)部分(包括機(jī)械齒輪箱和電機(jī)傳動(dòng)),以提高車速或降低能耗。
我國造紙機(jī)分部傳動(dòng)設(shè)備,以前采用SCR直流調(diào)速方式,由于存在滑環(huán)和炭刷造成可靠性和精度不高,從而導(dǎo)致紙機(jī)的機(jī)械落后,最高車速也只有200m/min左右,很難同國外的1000m/min的高速紙機(jī)相比。造紙是一個(gè)連續(xù)生產(chǎn)的過程,因此生產(chǎn)線的連續(xù)和有序控制成為了制約成品紙質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。直流調(diào)速系統(tǒng)在紙機(jī)的發(fā)展史上占有重要的地位,但由于直流電機(jī)存在維護(hù)難、抗環(huán)境能力差,主要表現(xiàn)如下:
(1) 整流子磨損嚴(yán)重, 燒毀整流子的故障, 導(dǎo)致停機(jī)時(shí)間長(zhǎng);
(2) 直流電機(jī)維修困難多, 要求高, 修理費(fèi)用也高;
(3) 測(cè)速發(fā)電機(jī)易磨損,造成傳動(dòng)系統(tǒng)精度低;
(4) 直流調(diào)速控制系統(tǒng)復(fù)雜, 調(diào)試?yán)щy, 一般技工很難調(diào)出好的機(jī)器。
交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電以及在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的廣泛適用性,而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式。它不但具有直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能,同時(shí)具有交流電機(jī)簡(jiǎn)單、可靠,因而逐漸被廣泛應(yīng)用。由此看來,造紙機(jī)分部傳動(dòng)機(jī)械的變頻化已是大勢(shì)所趨。
造紙機(jī)傳動(dòng)的變頻改造有非常好的效果,如從工藝上改善紙品、增加產(chǎn)能、降低能耗、延長(zhǎng)停機(jī)檢修周期。
以某廠改造一臺(tái)長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)為例,它有兩個(gè)分部:一個(gè)是烘缸(干部),一個(gè)是網(wǎng)部(濕部)。根據(jù)工藝要求抄紙速度為20-100m/min,紙頁定量為9-30g/m2。一般紙機(jī)的傳動(dòng)精度要求達(dá)到1-3‰,由于速度變化范圍大,最低定量為9g/m2,要求紙機(jī)的傳動(dòng)精度更高。因此,選擇紙機(jī)的傳動(dòng)控制方案閉環(huán)系統(tǒng)。
(二)、節(jié)能效益分析
根據(jù)該廠改造前和改造后紙機(jī)能耗對(duì)比,如下:
改造前的電功率:90米的車速P90=74A×180V+3×220=13980W=13.98kW(直流傳動(dòng))按一年生產(chǎn)300天計(jì):整機(jī)用電=300×24×13.98=100656(kWh)
改造后的電功率:90米的車速P90=1.732×16A×380V=10530W=10.53(kW)(變頻傳動(dòng))
整機(jī)用電=300×24×10.53=75816(kWh)
全年可節(jié)電=100656-75816=24840(kWh)
由此可以得出應(yīng)用變頻器后實(shí)際節(jié)能為:25%
(三)、工藝效益分析
①紙機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率提高:27%以上(由月平均產(chǎn)量得到,已排除其他因素)可增產(chǎn)值:
②成品率提高:1.6%
綜上所述,采用變頻器后提高紙機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能,進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)效率。
(四)造紙附屬設(shè)備的變頻器應(yīng)用分析
造紙機(jī)的輔助設(shè)施包括以下幾個(gè)系統(tǒng):供漿系統(tǒng)、白水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、化學(xué)品制備及傳送系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)等。為了使造紙機(jī)能夠連續(xù)均衡地運(yùn)轉(zhuǎn),它的輔助設(shè)施能力,一般應(yīng)超過造紙機(jī)的最大生產(chǎn)能力的15%-30%,這將存在具大的能量損耗。
供漿系統(tǒng)的變頻應(yīng)用
供漿系統(tǒng)必須滿足下列幾個(gè)條件:
(1) 向造紙機(jī)輸送的漿料要穩(wěn)定,誤差不能超過±5%;
(2) 漿料的配比和濃度要穩(wěn)定均勻;
(3) 貯備一定的漿料量,使供漿能力可以調(diào)節(jié),以適應(yīng)造紙機(jī)車速和品種的改變;
(4) 對(duì)漿料進(jìn)行凈化精選
(5) 處理造紙機(jī)各部分損紙。
通常情況下,供漿系統(tǒng)由供漿管路的漿泵、沖漿泵和凈化設(shè)施的壓力篩、除渣器組成,要達(dá)成以上五點(diǎn)目的,最主要就是要對(duì)漿泵和沖漿泵從全速運(yùn)行變?yōu)榭伤俣日{(diào)節(jié)變頻運(yùn)行,最終滿足供漿自動(dòng)化。
以沖漿泵為例來說明變頻器的速度控制流程:該變頻控制宜采用雙閉環(huán)系統(tǒng)的速度控制方式,外環(huán)是速度閉環(huán),內(nèi)環(huán)是電流或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)。沖漿泵速度的設(shè)定值一方面是由漿速和網(wǎng)速比變化而獲得,另一方面是來自于流漿箱的壓力控制器。前者是主調(diào),后者是微調(diào)。紙機(jī)的漿速和網(wǎng)速比基本上是恒定的,因此紙機(jī)的網(wǎng)速一旦變化,沖漿泵的轉(zhuǎn)速也跟隨變化;為了提高速度調(diào)節(jié)器的精確性和反映流漿箱的實(shí)際工藝過程,通常還需取流漿箱的壓力PID控制輸出值的±5%的變化來作為沖漿泵附加的速度設(shè)定值。速度的實(shí)際值取自傳動(dòng)電機(jī)的實(shí)際速度采樣,可通過旋轉(zhuǎn)測(cè)速電機(jī)或光電旋轉(zhuǎn)編碼器等檢測(cè)裝置獲取。電流的設(shè)定值取自速度環(huán)的輸出信號(hào),電流的實(shí)際值取自各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的交流變頻器輸出端電流互感器的測(cè)量值。因此對(duì)于沖漿泵的變頻調(diào)速而言,需對(duì)其進(jìn)行PID控制,可達(dá)到理想節(jié)能效果。
(五)、壓縮空氣系統(tǒng)的變頻應(yīng)用
壓縮空氣常用于造紙機(jī)網(wǎng)部與壓榨部的氣動(dòng)加壓升降裝置、網(wǎng)毯的校正裝置、氣墊式流漿箱、引紙?jiān)O(shè)備、涂布?xì)獾兑约案鞣N氣動(dòng)儀表和調(diào)節(jié)裝置等處。
壓縮空氣系統(tǒng)中,主要設(shè)備有空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、減壓閥、空氣過濾器、汽水分離器及安全閥等,造紙機(jī)上通常壓力需要為5-6BAR左右。在大多數(shù)紙廠中,都通過2臺(tái)以上的空壓機(jī)并列運(yùn)行,然后通過儲(chǔ)氣罐來保持壓力恒定。
由于壓縮機(jī)功率較大且控制壓力一般都通過加載或卸載來調(diào)節(jié),電動(dòng)機(jī)始終處于全速運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)踐表明該控制方式耗能巨大,浪費(fèi)嚴(yán)重。所以目前都已趨向產(chǎn)用一臺(tái)變頻多臺(tái)工頻的方式來控制壓縮機(jī)組,并組成壓力閉環(huán)。
(六)、化學(xué)品制備及傳送系統(tǒng)的變頻應(yīng)用
由于在脫墨、制漿、涂布、施膠等部位要用到大量的化學(xué)品,其使用量與紙機(jī)多傳動(dòng)的速度成正比,所以在化學(xué)品的傳送系統(tǒng)(如泵)必須采用無級(jí)交流調(diào)速系統(tǒng)。在化學(xué)品制備中要用到大量的研磨設(shè)備,如球磨、膠體磨、砂磨、高切變分散攪拌器等,他們最大的特點(diǎn)就是高功率、高耗能、使用環(huán)境惡劣。目前已經(jīng)有許多廠家在研磨設(shè)備上采用變頻器取得了良好的效果。
以磨漿機(jī)為例,其工作原理是將待研磨的涂料經(jīng)送料泵輸入筒體后,在高速旋轉(zhuǎn)的分散盤帶動(dòng)下,遭到研磨介質(zhì)的強(qiáng)烈撞擊、研磨而被分散混合到溶劑中,制成合格的涂料,然后經(jīng)頂篩過濾流出。該設(shè)備的主電機(jī)為110KW,在未使用變頻器之前,通常是在啟動(dòng)前期,采用點(diǎn)動(dòng)方式多次(三次以上)重復(fù)以使涂料與研磨介質(zhì)混合均勻;針對(duì)不同的涂料,有時(shí)需要不同的工藝轉(zhuǎn)速,但實(shí)際上只能滿速運(yùn)行;無法掌握進(jìn)料量,來保證主電機(jī)不過載;耗能非常嚴(yán)重。而使用110KW變頻器就很好地解決了以上問題,可以方便地設(shè)置點(diǎn)動(dòng)速度和慢速運(yùn)行時(shí)間,確保涂料與介質(zhì)混合達(dá)到最均勻;可以在線無級(jí)調(diào)速,不同品種使用不同的研磨速度;進(jìn)料量只要從電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流就可以來控制進(jìn)料量,且有過載預(yù)報(bào)警功能和免跳閘功能;節(jié)能率,一般可達(dá)20%以上;降低了齒輪箱的損耗,避免了工頻啟動(dòng)對(duì)齒輪箱的沖擊;由于啟動(dòng)時(shí),電流平緩,避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊,提高了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。目前在山東、黑龍江、海南等地的造紙企業(yè)已經(jīng)有了批量應(yīng)用。
(七)、烘干部通風(fēng)系統(tǒng)的變頻應(yīng)用
在烘干部,紙頁中蒸發(fā)出來的所有水汽被空氣吸收后,必須通過強(qiáng)制通風(fēng)不斷地從造紙車間排除。烘干部通風(fēng)良好與否,直接影響到紙頁中水分的蒸發(fā)速度和整個(gè)烘干過程的經(jīng)濟(jì)性;通風(fēng)良好,可降低空氣中的蒸汽飽和度,從而減低烘缸蒸汽的消耗量,提高烘干速度。
排除烘干部蒸發(fā)水量所必需的空氣量,與進(jìn)入以及排出的空氣溫度和濕度有關(guān),也與采用的通風(fēng)系統(tǒng)、氣候條件和季節(jié)有關(guān)。通常,在現(xiàn)代紙機(jī)中采用強(qiáng)制的空氣循環(huán)以求高效,用進(jìn)氣鼓風(fēng)機(jī)將加熱到80度左右的干燥空氣送進(jìn)烘干部下層,使在烘缸之間吸附熱汽形成向上的氣流,然后通過排氣抽風(fēng)機(jī)將匯集在氣罩中的濕熱空氣抽出室外(最后回收余熱)。在高速紙機(jī)中,由于烘缸數(shù)量的增多,通常都分成幾段的鼓風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)組。采用變頻器之后,可以根據(jù)通風(fēng)空氣量的計(jì)算公式,隨時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量(鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速)和排氣量(排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速),而無須采用傳統(tǒng)的風(fēng)門控制,進(jìn)一步降低能耗,降低風(fēng)機(jī)的噪音,提高機(jī)械壽命。
(八)、水系統(tǒng)的變頻應(yīng)用
紙機(jī)是個(gè)耗水大戶,包括白水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、清水系統(tǒng)等,通常情況下都需要用到管網(wǎng)恒壓力供水,但傳統(tǒng)的控壓都是通過旁路和調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行,很少用到變頻器。但是由于中國國內(nèi)水資源的普遍缺乏,而變頻器的應(yīng)用將可以節(jié)水10%和節(jié)能30%,必然會(huì)降低紙廠的日常運(yùn)行成本。
變頻器使用在水系統(tǒng)上通常有二種模式:即變頻固定方式、變頻循環(huán)方式。
變頻固定方式:變頻器變頻輸出固定控制一臺(tái)泵而其余各泵由工頻電網(wǎng)直接供電,它們的啟停信號(hào)由PLC進(jìn)行邏輯控制;
變頻循環(huán)方式:變頻器按照一定順序輪流驅(qū)動(dòng)各泵運(yùn)行。變頻器能根據(jù)壓力閉環(huán)控制要求自動(dòng)確定運(yùn)行泵臺(tái)數(shù)(在設(shè)定范圍內(nèi)),同一時(shí)刻只有一臺(tái)泵由變頻驅(qū)動(dòng)。當(dāng)變頻器驅(qū)動(dòng)的泵運(yùn)行到設(shè)定的上限頻率而需要增加泵時(shí),變頻器將該泵切換到工頻運(yùn)行,同時(shí)驅(qū)動(dòng)另一臺(tái)泵變頻運(yùn)行。
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