Применение инвертора KERUN в бумажной промышленности
-- Серия ACD320
Предисловие:
С 1990 года, и особенно с 1995 года, в бумажной промышленности Китая наблюдается постоянный рост эффективных производственных мощностей. К концу 2002 года в Китае насчитывалось более 4000 бумажных фабрик, в том числе более 2600 крупных. Общий объем добычи в 2002 году достиг 37,8 млн тонн. В последующие 1-2 года было добавлено около 10 миллионов тонн новых производственных мощностей. В настоящее время более 80% новых систем привода бумагоделательных машин используют приводы с инверторным управлением.
Инверторы, применяемые в приводах бумагоделательных машин, в настоящее время должны обладать следующими характеристиками:
(1) Широкий диапазон регулирования скорости с эффективностью более 90% во всем диапазоне скоростей;
(2) Коэффициент мощности выше 0,9;
(3) Суммарные гармонические искажения входного тока менее 3%;
(4) Использование надежных, проверенных стандартных компонентов, таких как IGBT;
(5) Способность снижать содержание гармоник на выходе и эффективно снижать шум dv/dt и пульсацию крутящего момента.
I. Предыстория применения инверторов в бумагоделательных машинах.
В секционном приводе бумагоделательных машин в Китае ранее использовались системы управления скоростью SCR постоянного тока. Такие проблемы, как контактные кольца и угольные щетки, привели к снижению надежности и точности, что привело к устаревшей механике бумагоделательных машин со скоростью обычно около 200 м/мин, что затрудняло конкуренцию с зарубежными высокоскоростными бумагоделательными машинами, достигающими скорости 1000 м/мин. Изготовление бумаги представляет собой непрерывный производственный процесс, что делает непрерывный и упорядоченный контроль производственной линии узким местом, ограничивающим качество и производительность бумаги. В то время как системы управления скоростью постоянного тока сыграли значительную роль в истории развития бумагоделательных машин, двигатели постоянного тока страдают от трудностей в обслуживании и плохой устойчивости к факторам окружающей среды, что в основном проявляется в следующем:
(1) Сильный износ коммутаторов и неисправности, такие как сгоревшие коммутаторы, ведущие к длительным простоям;
(2) Многочисленные трудности и высокие требования к обслуживанию двигателей постоянного тока, что приводит к высоким затратам на ремонт;
(3) Тахогенераторы склонны к износу, что приводит к снижению точности приводной системы;
(4) Сложные системы управления скоростью постоянного тока, которые сложно отлаживать, из-за чего рядовым техническим специалистам часто бывает сложно точно-настраивать рабочие скорости машин.
Технология регулирования скорости переменного тока, обладающая превосходными характеристиками регулирования скорости и значительными-экономическими преимуществами, широко применяется в экономике Китая и считается наиболее перспективным методом управления скоростью переменного тока. Он не только обладает превосходными характеристиками регулирования скорости, чем двигатели постоянного тока, но, таким образом, постепенно получает широкое распространение. Применение инверторов в секционных приводах будущих бумагоделательных машин стало неизбежной тенденцией.
Применение инверторов в приводах бумагоделательных машин дает очень хорошие результаты, такие как улучшение качества бумаги с точки зрения процесса, увеличение производственной мощности, снижение энергопотребления и продление циклов технического обслуживания при остановке.
Если взять в качестве примера бумагоделательную машину Fourdrinier, то она состоит из двух основных секций: сушильной секции (сухой конец) и сеточной секции (мокрый конец). В зависимости от технологических требований скорость изготовления бумаги варьируется в пределах 20–100 м/мин, плотность бумаги 9–30 г/м². Обычно требования к точности привода бумагоделательных машин составляют 1–3‰. Благодаря широкому диапазону изменения скорости и минимальной плотности 9 г/м² требуется еще более высокая точность привода. Поэтому для привода бумагоделательной машины выбрана замкнутая-система управления.
II. Анализ преимуществ-экономии энергии
На основе сравнения энергопотребления бумагоделательной машины до и после модернизации на заводе данные следующие:
Потребляемая мощность управления постоянным током: Скорость при 90 м/мин: P90=74A × 180 В + 3 × 220=13980 Вт=13.98 кВт (привод постоянного тока)
Из расчета 300 производственных дней в году: Общая потребляемая мощность машины=300 × 24 × 13.98=100,656 (кВтч)
Потребляемая мощность инверторного управления: Скорость при 90 м/мин: P90=1.732 × 16A × 380 В=10530 Вт=10.53 (кВт) (инверторный привод)
Общая потребляемая мощность машины=300 × 24 × 10.53=75,816 (кВтч)
Годовая экономия электроэнергии=100,656 – 75,816=24,840 (кВтч)
Отсюда фактическую экономию энергии после применения инвертора можно определить как:25%
III. Анализ преимуществ процесса
(1) Увеличение производительности бумагоделательных машин: более 27% (рассчитано на основе среднемесячной производительности без учета других факторов). Это может увеличить стоимость продукции.
(2) Повышенный выход продукта: 1,6%.
Таким образом, использование инвертора улучшает эксплуатационные характеристики бумагоделательной машины, что еще больше повышает экономическую эффективность.
IV. Применение инверторов во вспомогательном оборудовании бумагоделательных машин
Вспомогательное оборудование бумагоделательных машин включает в себя следующие системы: систему подачи материала, систему оборотного водоснабжения, вакуумную систему, систему сжатого воздуха, систему химической подготовки и подачи, систему подачи воды, паровую систему и т. д. Для обеспечения непрерывной и сбалансированной работы бумагоделательной машины мощность ее вспомогательного оборудования обычно должна превышать максимальную производственную мощность бумагоделательной машины на 15-30%, что приводит к значительным потерям энергии.
4.1 Применение инвертора в системе снабжения запасами
Система снабжения запасами должна отвечать следующим условиям:
(1) Стабильная подача материала на бумагоделательную машину с погрешностью не более ±5%;
(2) Стабильные и однородные пропорции и консистенция сырья;
(3) Зарезервировать определенное количество запасов, чтобы можно было регулировать производственную мощность в соответствии с изменениями скорости и качества бумагоделательной машины;
(4) Очистите и очистите сырье;
(5) Ручки различных частей бумагоделательной машины сломались.
Обычно система подачи сырья состоит из насосов для сырья и вентиляторных насосов в трубопроводах, а также оборудования для очистки, такого как напорные сетки и очистители. Для достижения вышеперечисленных пяти целей наиболее важным шагом является перевод насосов сырья и вентиляторных насосов с работы на полной-скорости на работу с регулируемой скоростью через инверторы, что в конечном итоге соответствует требованиям автоматизированной подачи материала.
Возьмем вентиляторный насос в качестве примера, чтобы проиллюстрировать процесс управления скоростью с помощью инвертора. Это инверторное управление подходит для системы управления скоростью с двойным замкнутым-контуром, с внешним контуром для скорости и внутренним контуром для тока или крутящего момента. Заданное значение скорости для вентиляторного насоса поступает из двух источников: один определяется изменением соотношения скоростей заготовки-и-проволоки, а другой — регулятором давления напорного ящика. Первое – это основная настройка, второе – тонкая-настройка. Соотношение скоростей-к-проволоки бумагоделательной машины практически постоянно. Таким образом, как только скорость подачи проволоки изменится, изменится и скорость вентиляторного насоса. Чтобы повысить точность регулятора скорости и отразить фактический процесс в напорном ящике, обычно принимают выходной сигнал ПИД-регулятора давления напорного ящика, изменяющийся на ±5%, в качестве дополнительной уставки скорости для вентиляторного насоса. Фактическое значение скорости получается путем выборки фактической скорости приводного двигателя, которую можно получить с помощью таких устройств, как тахогенераторы или фотоэлектрические датчики вращения. Текущая уставка берется из выходного сигнала контура скорости. Фактическое значение тока берется из измерений трансформаторов тока на выходе преобразователя переменного тока каждой точки привода. Таким образом, для регулирования скорости вентиляторного насоса с переменной частотой применение ПИД-регулирования может обеспечить идеальный эффект-сбережения энергии.
V. Применение инвертора в системе сжатого воздуха
Сжатый воздух обычно используется в бумагоделательных машинах для пневматических устройств загрузки/подъема в сеточных и прессовых секциях, направляющих устройств для проволоки/фетра, напорных ящиков с воздушной-амортизацией, оборудования для передачи листов, воздушных ножей для покрытия, а также различных пневматических инструментов и устройств управления.
Основное оборудование системы сжатого воздуха включает воздушные компрессоры, воздухосборники, редукционные клапаны, воздушные фильтры, влагоотделители и предохранительные клапаны. Требуемое давление на бумагоделательной машине обычно составляет около 5-6 БАР. На большинстве бумажных фабрик два или более компрессора работают параллельно, поддерживая постоянное давление через воздушный ресивер.
Поскольку компрессоры имеют-высокую мощность, а регулирование давления обычно достигается путем загрузки/разгрузки, двигатели всегда работают на полной скорости. Практика показывает, что этот метод управления потребляет огромную энергию и весьма расточителен. Поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к использованию одного привода с регулируемой частотой, управляющего несколькими преобразователями линейной-частоты, образуя систему с замкнутым-контуром давления.
VI. Применение инвертора в системе химической подготовки и доставки
Большое количество химикатов используется при удалении краски, варке целлюлозы, нанесении покрытия, калибровке и т. д. Их использование пропорционально скорости многочисленных приводов бумагоделательной машины. Поэтому в системах подачи химикатов (например, насосах) необходимо использовать системы привода переменного тока с регулируемой скоростью. При химической подготовке широко используется такое измельчающее оборудование, как шаровые мельницы, коллоидные мельницы, песочные мельницы и диспергаторы с высоким-сдвиговым усилием. Их основными характеристиками являются высокая мощность, высокое энергопотребление и суровые условия эксплуатации. Многие производители уже добились хороших результатов, используя инверторы на шлифовальном оборудовании.
Возьмем, к примеру, песочную мельницу: принцип ее работы заключается в подаче измельчаемого материала в камеру с помощью подающего насоса. Приводимый в движение вращающимся на высокой скорости -диспергирующим диском материал подвергается интенсивному удару и измельчению мелющими телами, диспергируется и смешивается с растворителем, образуя защитное покрытие, которое затем вытекает через верхнее сито. Главный двигатель этого оборудования имеет мощность 110 кВт. До использования инвертора обычно во время запуска несколько раз (более трех) использовался метод толчкового режима, чтобы равномерно перемешать покрытие и шлифовальные материалы. Для разных покрытий могут потребоваться разные скорости процесса, но машина может работать только на полной скорости. Контролировать скорость подачи для предотвращения перегрузки главного двигателя было сложно. Потребление энергии было серьезным. Использование инвертора мощностью 110 кВт эффективно решает эти проблемы: можно легко настроить толчковую скорость и медленное время работы для обеспечения оптимального перемешивания; Бесступенчатое онлайн-регулирование скорости позволяет использовать разные скорости для разных продуктов; скорость подачи можно контролировать, просто отслеживая фактический рабочий ток двигателя, с помощью функций предварительного-сигнала перегрузки и отключения-без отключения; экономия энергии обычно превышает 20%; потери в редукторе уменьшаются, что позволяет избежать воздействия на редуктор пусков линейной-частоты; плавный пусковой ток предотвращает воздействие на сеть, повышая безопасность сети. Пакетные приложения уже существуют на бумажных предприятиях в Шаньдуне, Хэйлунцзяне, Хайнане и других регионах.
VII. Применение инвертора в системе вентиляции сушильной машины
В сушильном отделении вся испаряемая с листа влага, поглощенная воздухом, должна непрерывно удаляться из помещения бумагоделательной машины посредством принудительной вентиляции. Эффективность вентиляции сушильной машины напрямую влияет на скорость испарения влаги с полотна и общую экономичность процесса сушки. Хорошая вентиляция снижает насыщенность воздуха парами, тем самым уменьшая расход пара в цилиндрах сушилки и увеличивая скорость сушки.
Необходимый объем воздуха для удаления испаряемой влаги из сушильной секции зависит от температуры и влажности приточного и вытяжного воздуха, а также используемой системы вентиляции, климатических условий и времени года. Как правило, современные бумагоделательные машины используют принудительную циркуляцию воздуха для обеспечения высокой эффективности, используя приточные вентиляторы для подачи нагретого сухого воздуха (около 80 градусов) в нижнюю часть секции сушилки, создавая восходящий воздушный поток за счет поглощения горячего пара между цилиндрами сушилки, а затем используя вытяжные вентиляторы для удаления влажного горячего воздуха, собранного в колпаке, наружу (с последующей рекуперацией тепла). В высокоскоростных-бумажных машинах из-за увеличенного количества сушильных цилиндров обычно используются несколько секций приточных и вытяжных групп вентиляторов. После внедрения инверторов на основе формул расчета объема вентиляционного воздуха объем приточного воздуха (скорость приточного вентилятора) и объем вытяжного воздуха (скорость вытяжного вентилятора) можно регулировать в реальном-времени без использования традиционного управления заслонками, что еще больше снижает потребление энергии, снижает шум вентилятора и продлевает срок механического срока службы.
VIII. Применение инвертора в водных системах
Бумагоделательные машины являются основными потребителями воды, включая системы очистки сточных вод, системы сточных вод, системы затворной воды, душевые системы, системы пресной воды и т. д. Часто требуется подача воды под постоянным давлением в сеть трубопроводов. Традиционно контроль давления достигался с помощью байпасов и регулирующих клапанов, редко с использованием инверторов. Однако из-за общей нехватки водных ресурсов в Китае применение инверторов может сэкономить примерно 10% воды и 30% энергии, что неизбежно снижает ежедневные эксплуатационные расходы бумажных фабрик.
Обычно существует два режима использования инверторов в системах водоснабжения: управление одним инвертором и режим чередования инверторов.
Управление одним инвертором:Выход инвертора постоянно управляет одним насосом, в то время как остальные насосы питаются напрямую от сети-частотной сети. Их сигналы запуска/останова контролируются вручную или с помощью логики ПЛК.
Режим чередования инвертора:Инвертор управляет каждым насосом по очереди в соответствии с заданной последовательностью. Инвертор может автоматически определять количество работающих насосов (в пределах заданного диапазона) в зависимости от требований управления замкнутым-контуром давления. В любой момент времени от инвертора работает только один насос. Когда насос с инверторным-приводом достигает установленного верхнего предела частоты и требуется дополнительный насос, инвертор переключает этот насос на работу с линейной-частотой и одновременно начинает приводить в действие другой насос с переменной частотой.
IX. Заключение
Таким образом, модернизация бумагоделательного оборудования инверторными системами привода не только демонстрирует значительный эффект-экономии энергии и снижает затраты на техническое обслуживание оборудования, но также создает значительные экономические выгоды для предприятий. Можно с уверенностью констатировать, что перспективы применения систем регулирования частоты вращения в целлюлозно-бумажной промышленности будут расширяться.