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1、陕西宝鸡卷烟厂旬阳分厂生产线配套设施技术改造方案系统改造的必要性分析在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛;其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧，节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。而80年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行
2、的目的。通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、储罐给排系统、工业水(油)循环系统、热交换系统均使用
3、离心泵、轴流泵、螺杆泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、液位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器(简称变频器)易操作、免维护、控制精度高等特点；因而采用
4、变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。我公司三垦力达电气（江阴）有限公司成立于1999年12月，是一家应用日本最新科学技术、领先的变频器生产和销售企业。本公司坐落于江苏省江阴市经济开发区，下设北京和上海两个分公司，并在青岛、西安、南京、广州和沈阳设有办事处。本公司拥有独立的研发队伍和成熟的全国销售网络，是集研发、生产和销售于一体的业内知名企业。作为国内早期的变频器品牌，三垦变频器早已深得用户青睐，而本公司完善的技术支持和售后服务工作更赢得新老用户的信赖。2002年5月，本公司荣获ISO9001：2000国际质量管理体系认证证书，标志着本公司质量管理体系纳入国际轨道。其中最新一
5、代Sanken-vm05系列变频器将最新的科研成果应用于变频器上，整体性能上又有了新的飞跃，在众多变频器中脱颖而出。SHF/SPF变频器硬体上采用ASIPM（特殊用途的智能化功率模块）和高性能IGBT，结构更为紧凑，可靠性更高；软件可随用户需求而升级，专门设计的传输软件可方便的实现版本的升级。“简便操作”的设计理念使数据拷贝、客户初始值设定、变更代码查询等功能成为使用者的好帮手。改进后的可自定义的多功能输入输出端子和模拟输出功能更受配套用户的欢迎，在各个领域中得到广泛的应用。通过对贵公司当前生产线周边配套设施运行情况的现场考察，我们发现贵公司的生产线周边配套设施控制系统控制精度低，系统不稳定，
6、且能耗大，未采用变频技术，资源利用率极低等缺陷，因此我们提出如下技术改造方案。该方案利用我公司最新的变频技术取代传统的风门及调节阀的控制。此方案无论在节能、被控系统性能和设备保护等方面均大大优于当前系统，是一个切实可行的、经济效益巨大的改造方案。系统改造的具体实施方案一 锅炉控制改造方案I工艺流程II现有系统运行状况现有锅炉DCS监控系统，1998年投入使用，至今已有6年时间。经现场考察，发现此系统存在如下缺陷：1 整套系统设备陈旧，一些仪表已经不能正常工作。当前系统不能满足对锅炉过程参数的控制和设备安全保护的要求。2 系统中的各控制回路均处于开路状态，即所有系统被控参数的调节都由人工手动完成
7、，系统失去自动控制的作用。3 系统运行在开路的情况下，抗干扰能力弱。当负荷波动时，由于人为的控制不及时，很容易造成安全事故。4 无论系统运行在什么状态（满负荷、空载），系统中的各风机和水泵均运行在额定功率下，造成能源的巨大浪费。III技术改造方案针对系统存在的以上问题，提出如下改造方案：1 重新设计DCS监控系统，采用高性能的西门子PLC、先进的智能仪表和变频技术。2 各控制回路改造方案：锅炉液位的串级控制：锅炉液位的控制在整个控制系统中是一个非常重要且要求非常严格的控制回路，同样也是最难控制的一个参数。在这里我们采用锅炉液位清水流量的串级控制方案：副调节回路采用调节速度较快的流量调节回路，利
8、用清水管道上的流量计检测实际流量，并根据控制算法来调节管道上的电动调节阀的开度，从而达到控制流量稳定的目的；主调节回路采用调节速度相对较慢的液位调节回路，通过安装在锅炉上的液位变送器检测到的液位值来动态的调节副回路的设定值，控制清水流量的大小，从而最终达到控制液位恒定的目的。此控制方案消除了清水流量波动对液位的影响，使液位的控制快速稳定。蒸汽主管的压力控制：蒸汽主管道的蒸汽压力受生产车间需求的影响经常会出现压力波动。为了保证生产车间生产过程的稳定，我们对蒸汽主管道的蒸汽压力采用了变频调速恒压力控制方案：根据安装在蒸汽主管道上的压力变送器检测实际的压力信号，采用变频调速的方式对锅炉的煤排进行控制
9、，调节供煤量。此方案能快速及时的调节主蒸汽的压力，且加入了变频调速后，整个调节过程波动小，大大减少了对煤和电能的消耗，经济效益可观。锅炉炉膛内的负压控制：锅炉炉膛内的负压控制直接关系到锅炉内燃煤的利用率和整个锅炉的安全。因此对炉膛内负压的控制非常重要，在此我们去处了陈旧的风门控制方案，而改用全新的变频调速恒负压的控制方案：通过炉膛内的压力变送器检测炉膛内负压，根据控制算法，利用变频器动态改变引风机的转速，从而达到控制负压恒定的目的。此方案最大的特点是节能：因为在一般控制系统的设计过程中，电机额定功率选择的余量为3050，也就是说生产过程中实际所需要的功率为电机额定功率的一半左右，这样会造成能源
10、的很大浪费。采用变频调速方案后，系统能根据实际的需要利用变频器降低电机的工作功率，从而大大的节省了能源。锅炉炉膛内含氧量的控制：锅炉炉膛内的含氧量直接关系到燃煤的燃烧的充分性，关系到燃煤的利用率。如果含氧量过低，燃煤燃烧不充分，同样数量的燃煤所获得的热量会大大减少，那么需要获得同样数量的蒸汽所需的燃煤会大大增加，燃煤的不充分燃烧将会造成能源的巨大浪费，工厂利益受到巨大损失。在此我们去处了陈旧的风门控制方案，而改用全新的变频调速恒含氧量的控制方案：通过安装在炉膛内的含氧量检测仪表测量实际含氧量，利用变频调速技术动态调节鼓风机的转速，从而达到最终控制含氧量恒定的目的。此方案和炉膛负压控制方案一样，
11、最大的特点是节能。供水管道的恒水压控制：由于锅炉内具有一定压力，为了使清水能够顺利注入锅炉内，必须保证清水管道内具有一定的压力。同时由于锅炉内蒸汽压力的波动，清水管道内的压力会受到影响，清水的流量就会受到影响，最终锅炉内液位就会受到影响，因此在生产过程中必须保证清水管道内水压的恒定，在此我们采用变频调速恒水压控制方案：利用安装在清水管道上的压力变送器测量实际压力信号，根据控制算法借助于变频器动态调节水泵的转速，从而达到恒压的目的。同时采用此方案还能有效的保护高压水泵，因为一般的高压水泵不允许出口关死，否则由于泵内压力过高损坏泵体，采用变频调速恒压力控制方案后就能很好的解决这个问题。同样此方案的
12、最大特点也是节能。主蒸汽和清水的流量累计：此方案中还增加了使用资源的累计，可分天累计和分月累计。便于管理人员对整个系统的使用资源进行管理统计。主蒸汽、炉膛内和烟道内的温度检测报警：此方案中还增加了主蒸汽、炉膛内和烟道内的温度检测和报警，让操作人员对整个系统各处的温度进行监测报警，加强了设备的安全性，防范事故的发生。3 各控制回路均采用闭环调节，提供手自动的无扰动切换功能。4 电机采用变频控制，变频器自带的保护机制能更加有效的对电机进行保护。IV改造后运行状况预估根据以上改造方案对整个锅炉系统进行改造后，预计会达到如下目的：1 由于采用全新的变频调速技术，大大节约了电能和燃煤。预计电能节约大约在
13、3050之间，燃煤为2030，具有巨大的经济效应，预计成本能在23年内收回。（具体节能的数据可参考变频器世界中相关文献）2 由于采用先进的DCS监控系统和控制方案，整个系统中的各参数稳定，为生产线准备了一个稳定的生产条件；系统中加入了及时的报警处理机制，系统安全性能大大提高。3 设备的磨损减少，减少了消耗品的消耗，增长了系统检修的周期，间接的获得经济效益。二 供水站控制改造方案I工艺流程II现有系统运行状况现有供水站液位控制系统1999年投入使用，至今已有5年时间。经现场考察，发现此系统存在如下缺陷：1 系统设备陈旧，已经不适应现代控制的要求。2 系统仅对水塔液位的上、下限提供报警，不进行控制
14、。液位上、下限参数已经固化，不能人工修改。3 系统不提供水塔液位的现场指示，监控人员无法确认水塔中现有水量的多少。4 供水泵的起停采用人工控制，没有根据液位进行起停控制，自动化程度低III技术改造方案针对系统存在的以上问题，提出如下改造方案：1 水塔液位采用液位水泵连锁控制方案：根据安装在水塔上的液位变送器检测实际液位，连锁控制供水泵的起停。当液位高于上限时停供水泵，当液位低于下限时启供水泵。2 每台供水泵对应自己的液位上、下限参数，且这些参数可根据实际情况人工修改。3 提供水塔液位、电机运行状况的集中显示，便于监控。4 系统采用闭环调节，且提供回路的手自动无扰动切换功能。IV改造后运行状况预
15、估根据以上改造方案对供水站系统进行改造后，预计会达到如下目的：1 系统提供液位的模拟量指示，帮助监控人员及时了解水塔用水情况。2 水泵起停采用自动控制，保证供水的及时，同时减少了人力的投入。3 由于水泵起停的液位上、下限参数可灵活设置，系统可以根据水塔的水位来决定起停水泵。水泵的自动化控制程度明显增高，水塔的供水更加稳定可靠。三 空压站控制改造方案I工艺流程II现有系统运行状况现有系统中共有三台空气压缩机，整个系统控制运行状况如下：1 1、2号空气压缩机为新型压缩机，功率为132kw，转速1480r/m，3号为老式空气压缩机，功率为138kw，转速为1480r/m。2 正常运行时，1号满负荷运
16、行，2号稍作补充，3号备用即可满足生产要求。3 三台压缩机都没有采用变频技术，正常运转时工作在工频（50Hz），电能利用率低。4 根据压缩空气总管压力，采用开关调节方式对各空气压缩机进气阀门进行控制，调节精度低，容易引起压缩空气压力波动。III技术改造方案在目前的许多空压机运行中，有很大一部分时间是在非满负荷情况中进行的，这样一来，通过传统的控制就会产生能量浪费，从而造成效率低下。但现在由于变频器的出现，使得这些大功率空压机有机会在非满负荷运行的时候可以节省能源，提高效率。下面将主要介绍空压机使用变频调速的基本情况，并详细阐述了空压机使用变频器后的节能功效。1 空压机调速控制的功效使用变频调速
17、控制的空压机其独特之处就在于输出的空气量可以通过变化空压机的主机速度来进行大小调节，空压机主机的电机由变频器来控制。它不同于传统的机器是通过压力的加载卸载来实现的，因此有更高的效率。当然在部分空气压力负载时使用变频调速还有其他几个功效：（1） 取消了齿轮箱和传动皮带当电动机的速度变化时，就不需要一个齿轮箱或皮带传动，从而可以降低机械能量的损耗。（2） 可以更精确地控制压力当需要有一个更加精确的压力控制时，采用变频调速就可以保证。在一个单独安装的空压机中，变频调速器就可以连续运转，而出来的空气压力基本可以保持在误差在0.2BAR这样窄幅内。跟传统的加载和卸载ON/OFF控制来说，可以节省大约2%
18、的能量，可传统的控制压力误差却在0.5BAR左右，精度自然低下。（3） 降低耗气量负载平均压力低时，使用变频调速可以降低设备的漏气和降低耗气量，在7.0BAR时典型的耗气量可以降低2%左右。变频调速用在控制具有可变压力的负载设备是非常理想的，而且空压机能提供满容量的供气。但是在需要提供满负载运行时，（即在额定值运行时）变频调速就不具有优势，反而耗电更多，如图所示，其增加的部分主要是用于变频器本身的耗电。变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用90KW为例。空气总量（CFM）2 空压机变频速度控制的优点精确的压力控制不仅可以降低能耗，而且可以保证提高产品的质量和降低浪费（从而间接节能）。从图中可
19、以看出，在传统的空压机控制中，它对空气压力的需求基本是不变的，调节靠加载和卸载ON/OFF控制，但在变频器空压机中，则通过转速控制来达到压力需求，其速度随时可以根据工况改变。变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用在传统的空压机中，为了保护电机，通常对起停次数都有所规定，如200KW以上的高压电机一般一小时起停不宜超过4次。而变频空压机则完全不一样，它是软起软停，无电流冲击，基本可以做到频繁启动（也就是说对次数没有限制）。在管道压力饱和或外界无压力需求时，变频空压机可以处于轻松实现“休息”状态，这主要归因于变频器的零频功能。零频功能主要指变频器根据外界信号判断运行频率是否在零频运行阈值内，同时
20、根据零频回差的设定来控制起停的频繁程度。有了这个功能，就可以实现休眠过程，实现节能运行。变频器可靠的线路设计和软件功能能为变频空压机带来以下优点：（1） 实现空压机的软启动，无峰值电流，启动平稳，（2） 大幅度降低压缩机系统的噪声。（3） 自动控制，简便高效，可靠和自保护，无需专人看护。（4） 运转平稳，延长压缩机系统寿命，减少维护量。（5） 保证供气压力恒定，提供供气质量。（6） 大量节约电能。3 空压机单机和多机的变频控制变频空压机单机应用一般是针对独立式单台空压机而言，当用户的供气需求量不需要长时间工作在最大输出状态时，变频单机控制能很好地节能。在空压机多机应用中，传统的控制压力或出气量
21、的方法是将多台空压机全部运行，并通过加载来调节。最终达到压力或出气量的控制要求。显然，所有的空压机都是在全速运行，所耗电严重且控制频繁，尤其是在加一台太多减一台又太少的情况下。变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用因此，对于多机进行变频控制是非常理想。如图所示，如果空气压力要求或出气量不高，只需要一台空压机工作即可，这时变频空压机便通过调节电机转速来达到要求，当变频空压机电机的频率达到50HZ其出气量仍无法满足要求时，便要求加入1台常规空压机进行运行，变频空压机则通过速度调节来满足要求时，则需要加入2台常规空压机来进行运行，变频空压机则通过速度调节来满足出气量或压力要求。反之，当压力或出气量
22、太富余时，则要求减去相应的常规空压机。 从图中可看出，变频空压机始终是在工频状态，并作为调节的主要对象。空压机多机变频控制的作用有以下几点：（1） 节能的目的可以达到，为用户节约高额的电费开支。（2） 避免频繁加载、卸载，延长空压机的寿命。（3） 变频静音，可以降低工作环境噪音。（4） 保证供气压力平稳。4 空压机变频控制的应用案例在挪威TALC公司对阿特拉公司产的GA90-VSD变频空压机进行测试，其结果给出了变频空压机的能量消耗与出气量的关联性，为了得到相应的数据，该公司模拟了传统的同规格空压机的出气量从Ocfm到500cfm连续变化的工况下的耗电功率，同时与变频空压机进行比较。我们在图中
23、不难发现，当出气量下降时节能效果最好。在额定出气量在50%的情况下，变频空压机将功率降低了9.4KW（是额定功率的9%左右）。但是在满载情况下，变频空压机将耗电超过4%。在这里可以看出，当空压机长期工作在满载情况下时，没必要安装变频。 注：VSD：变频空压机 Compressor1：空压机1 Compressor2：空压机25 空压机变频控制的具体实施方案实践证明，相对于传统的空压机而言，购买先进的变频速度控制的新型空压机产品在购买成本上付出的多余部分将在使用一到两年后电能节省中获得相应回报。挪威TALC公司的空压机应用就是一个典型的例子。当然，节省电能的具体数量或金额则不一而足，必须依据用户
24、现场才能进行估算。从当前贵公司系统的运行状况来看，由于设备的大功率和低利用率，且多台运行，此系统的改造具有非常大的经济效益。具体改造方案如下：1 空气压缩机采用变频技术，根据实际需要调节工作频率。2 控制方案上摒弃陈旧的进气阀开关式控制，改用先进的变频调速恒压力控制方案：通过压缩空气管道上的压力变送器检测实际压力值，根据控制算法的输出，借助于变频器起停各压缩机和调节其工作频率。系统采用闭环控制，且各回路提供手自动的无扰动切换功能。IV改造后运行状况预估根据以上改造方案对整个空压站系统进行改造后，预计会达到如下目的：1. 由于采用全新的变频调速技术对三台大功率的压缩机进行控制，大大节约了电能。预
25、计电能节约大约在3050之间，具有巨大的经济效应，投入成本能在2年内收回。2. 根.据贵公司变频器使用情况：以一台132KW变频器24小时一年满负荷工作所消耗电能：13224365=1156320KW；以0.59元/度工业用电计算：一台132KW变频器24小时一年满负荷工作所需电费：11563200。59=682228.8元；使用变频改造后，一年预计电能节约大约在346896KW578160KW；一年预计电费节约大约在：204668.64341114.4元3 采用先进的控制方案，连续的调节压缩空气的压力。压缩空气压力稳定，系统抗干扰能力强，对负载的变化具有很强的适应性，为生产线的正常生产提供有
26、力的保障。四 控制系统网络结构方案根据对贵公司生产线周边配套设备的了解以及我们多年来在这一领域的工程实践经验，提出一套结构合理，功能齐全，稳定可靠，操作、维护方便，性价比高的整机DCS控制系统方案。我们的总体设计理念是：以S7-300、S7-200为控制器主体，以MPI和PPI网为通信基础，以TP07和Dell计算机为操作员站，以进口设备（变频器、仪表）为主，国产设备为辅，各段按地域和功能划分子系统，各子系统独立运行且又相互协调，实现集中管理和分散控制。一次投入成本相对较低，安全可靠，维护方便。1 PLC300/工控PC控制方案：锅炉控制系统由于所监控的过程量较多，且控制算法较复杂，对控制要求
27、较高，我们提出高性能的PLC300/工控PC的控制方案。建议采用西门子的CPU-314为控制器，上位机采用DELL工控PC，网络采用MPI网（187.5kbps）通讯。这套系统对三套锅炉同时进行监控：提供对各被控过程变量的监视；实现各控制回路的实时控制；实现过程变量的实时报警和安全保护；提供各水泵、风机的状态监视、远程控制和保护等。2 PLC200/TP07控制方案：针对空压站和供水站监控的过程变量较少，控制回路较少，而且离锅炉控制系统较远的情况，我们提出经济耐用的小型PLC200/TP07的控制方案。建议采用西门子的CPU224为控制器，采用TP070触摸屏作为监控终端，PPI协议进行通讯。
28、这套系统提供对空压机和水塔液位的监控：提供对各被控过程变量的监视；实现各控制回路的实时控制；实现过程变量的实时报警和安全保护；提供各水泵、压缩机的状态监视、远程控制和保护等。具体仪表及控制系统硬件选型报价见附表。具体网络结构如下图所示：附表一：控制系统设备清单及报价锅炉控制系统设备清单：(单位：元)编 号名 称型号/产地数 量单 价总 价1DELL PCPIV/ 2.8G/256M/40G/1912UPS电源山特MT1000 15分钟13系统控制柜180061065014CPU 3146ES7 314-1AEO4-0AB01524V电源（10A）朝阳电源16PS307电源（5A）6ES7 30
29、7-1EA00-0AA017300机架（530mm）6ES7 390-1AF30-0AA028SM331/AI（8）6ES7 331-7KF02-0AB059SM332/AO（4）6ES7 332-5HD01-0AB0510SM321/DI（32）6ES7 321-1BL00-0AA0111SM322/DO（32）6ES7 322-1BL00-0AA0112前连接器（20）6ES7 392-1AJ00-0AA01013前连接器（40）6ES7 392-1AM00-0AA0214总线连接器6ES7 972-0BA40-0XA0215IM365接口模块6ES7 365-0BA01-0AA01共 计
30、空压站及水站控制系统设备清单：(单位：元)编 号名 称型号/产地数 量单 价总 价1TP0706AV6 545-0AA15-2AX023控制箱40030020024CPU 2246ES7 214-1AD21-0XB01524V电源（5A）朝阳电源16S7200电源模块（3.5A）6ES7 291-8BA20-0XA017EM231/AI（4）6ES7 231-0HC21-0XA018EM232/AO（2）6ES7 232-0HB21-0XA029EM222/DO（8）6ES7 222-1BF21-0XA0110总线连接器6ES7 972-0BA40-0XA03共 计附表二：仪表设备清单及报价锅
31、炉设备清单：(单位：元)编号名 称型号/产地数量单价总 价1压力变送器EJA210A-DMSA1D5A-90N92孔板流量计标准孔板ABB多参数变送器13液位变送器EJA210A-DMSA1D5A-90N34电磁流量计AE205MG-AS1-LSJ-A1DH35氧化锆氧分析仪西安浐河ZOC-2OB36热电阻Pt10037热电偶K型标准热电偶68变频器三垦129调节阀ZSSR-16EK200YPD5F3共 计空压站及水站设备清单：(单位：元)编号名 称型号/产地数量单价总 价1压力变送器EJA210A-DMSA1D5A-90N12液位变送器EJA210A-DMSA1D5A-90N13变频器三垦3共 计
