王廣智

（撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司望花琥珀工貿(mào)分公司，遼寧 撫順 113000）

引言

當(dāng)前階段，紙張是人們生產(chǎn)生活中必不可少的工具，在加快信息交流、提升人們生活質(zhì)量方面起到了很大的作用[1]。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)紙張的質(zhì)量要求越來越高，這對(duì)造紙行業(yè)提出了相對(duì)更高的要求[2]。造紙過程中會(huì)涉及很多環(huán)節(jié)，且絕大部分環(huán)節(jié)都會(huì)使用大量的水[3]。在我國這樣水資源比較匱乏的國家，如何在保證紙張生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，盡可能降低水的使用量，是所有造紙工廠面臨的問題[4-5]。隨著造紙領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，設(shè)計(jì)出了恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用不但可以降低水的使用量，同時(shí)還能夠顯著提升紙張的生產(chǎn)質(zhì)量[6]。其中變頻器是恒壓供水系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件之一。

1 恒壓供水系統(tǒng)整體方案概述

1.1 系統(tǒng)的整體方案

如圖1所示為基于西門子變頻器的恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可以看出，造紙車間會(huì)設(shè)置水塔用于存儲(chǔ)自來水，隨著造紙車間用水量的不斷增加，水塔中自來水的水位會(huì)隨之不斷降低。通常水位越低則整個(gè)供水管網(wǎng)中的水壓會(huì)隨之降低。利用液位計(jì)和液位變送器可以對(duì)水塔中自來水的水位情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測結(jié)果輸送到控制器中。另外，在水泵機(jī)組出口部位還設(shè)置了壓力傳感器，基于該壓力傳感器及壓力變送器可以對(duì)水泵機(jī)組出口部位的水壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，檢測結(jié)果同樣直接傳輸至控制器中。控制器對(duì)管網(wǎng)中的水壓情況和水塔中自來水的水位情況進(jìn)行綜合分析，根據(jù)壓力和水位實(shí)際情況下達(dá)控制指令對(duì)變頻器進(jìn)行控制，使其輸出對(duì)應(yīng)的電源頻率，控制電機(jī)的啟動(dòng)數(shù)量及電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，已達(dá)到控制供水系統(tǒng)水壓的目的。

圖1 基于西門子變頻器的恒壓供水系統(tǒng)工作流程框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

圖2所示為基于西門子變頻器的恒壓供水系統(tǒng)工作原理圖，水位和水壓監(jiān)測信號(hào)輸入到控制器中，控制器和PC機(jī)之間通過PROFIBUS-DP通訊總線及通訊模塊等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息之間的交互，對(duì)監(jiān)測信號(hào)進(jìn)行分析與處理?？刂破鞲鶕?jù)分析計(jì)算結(jié)果下達(dá)變頻器的輸出電源頻率大小以及電動(dòng)閥門的開度值大小。變頻器根據(jù)指令可以對(duì)水泵切換電路進(jìn)行控制，決定水泵的啟動(dòng)數(shù)量，同時(shí)還可以對(duì)啟動(dòng)水泵的電源頻率進(jìn)行控制，通過這種方式確保水壓恒定。另外，控制器和PC機(jī)之間通過數(shù)據(jù)交換，可以將水位和水壓監(jiān)測結(jié)果、電泵的運(yùn)行數(shù)量及其供電電源頻率等關(guān)鍵工藝參數(shù)在PC機(jī)顯示器中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖2 基于西門子變頻器的恒壓供水系統(tǒng)工作原理圖

恒壓供水系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，首先只啟動(dòng)其中1臺(tái)水泵，通過變頻器將該水泵的功率調(diào)至最大值。如果仍然無法滿足造紙生產(chǎn)實(shí)際需要，則通過控制系統(tǒng)下達(dá)指令啟動(dòng)另外一臺(tái)水泵，直至供水系統(tǒng)中的水壓達(dá)到要求為止。相反的，如果需要降低供水系統(tǒng)中的水壓時(shí)，可以將其中一臺(tái)水泵的頻率降低為最低值，直至將其關(guān)停為止。

1.3 變頻器的調(diào)速原理

造紙行業(yè)的供水系統(tǒng)中，主要通過異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與供水系統(tǒng)的供水壓力之間存在緊密聯(lián)系。通過控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速就可以對(duì)供水系統(tǒng)中的供水壓力進(jìn)行有效控制。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的速度可以通過下式進(jìn)行計(jì)算：n=（（60f1）/p）（1-s）。式中，s表示轉(zhuǎn)差率，正常情況下不會(huì)變化很大；p表示電機(jī)的繞組極數(shù)，為定值；f1表示電機(jī)電源的頻率。如圖3所示為電機(jī)供電電源頻率與其輸出轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。基于異步電動(dòng)機(jī)的工作原理可以看出，只要能夠改變電機(jī)電源的頻率大小，就能對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制，進(jìn)而對(duì)水壓進(jìn)行控制。變頻器的作用就是改變電源的頻率大小，通過在電機(jī)前端設(shè)置變頻器就可以改變電機(jī)電源的頻率。如果變頻器的性能較好，輸出的電源頻率范圍較寬廣，則可以實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大范圍的調(diào)整。

圖3 電機(jī)供電電源頻率與其輸出轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線圖

2 西門子變頻器的選型與設(shè)計(jì)

在對(duì)變頻器市場進(jìn)行充分調(diào)研分析，并結(jié)合所設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，最終選用的是西門子公司研制生產(chǎn)的S120型變頻器，如圖4所示為西門子G120型變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，變頻器本身需要通過DC 24V電源進(jìn)行供電，可以對(duì)頻率為50Hz三相380～480 V的交流進(jìn)線電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到理想的電源頻率，對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電。變頻柜中設(shè)置有很多模塊，比如逆變模塊、整流模塊等，這些模塊都可以基于DRIVE-CLiQ連接方式與PC工具進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換，以便PC工具對(duì)變頻器進(jìn)行控制。西門子S120型變頻器是最新研制的專門針對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的變頻器，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種控制模式，如伺服控制、V/F控制、矢量控制。變頻器在工作時(shí)通過調(diào)節(jié)相關(guān)的參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)控制模式之間的相互轉(zhuǎn)換。另外，此型號(hào)變頻器還專門配置了對(duì)應(yīng)的軟件，軟件界面簡潔，操作簡單，方便工作人員對(duì)其進(jìn)行控制與操作。

3 西門子變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用效果

將上述基于西門子變頻器的恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用到造紙工廠中，取得了很好的應(yīng)用效果，以下進(jìn)行簡要分析。

圖4 西門子S120型變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖

3.1 改善勞動(dòng)強(qiáng)度方面

造紙車間如果沒有使用基于西門子變頻器的恒壓供水系統(tǒng)，就需要安排專人對(duì)供水系統(tǒng)的水壓進(jìn)行人工調(diào)整，要求相關(guān)人員必須具備扎實(shí)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平。如果供水壓力太低則達(dá)不到造紙生產(chǎn)的相關(guān)要求；相反的，如果供水壓力過高，不僅會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)供水管道及相關(guān)元件造成沖擊，也會(huì)影響生產(chǎn)質(zhì)量。使用恒壓供水系統(tǒng)后，供水壓力可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，無需人為干預(yù)，只需安排人員注意觀察即可。不僅保證了供水壓力的恒定，為提升生產(chǎn)質(zhì)量奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也顯著降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了車間的工作環(huán)境。

3.2 節(jié)省能耗方面

未使用恒壓供水系統(tǒng)前，水泵啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的最大電流值可以達(dá)到500 A左右。如此高的電流會(huì)對(duì)電機(jī)等造成很大的沖擊，影響運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性及其使用壽命。正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)的平均電能消耗為150 kVA。使用基于西門子變頻器的恒壓供水系統(tǒng)后，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流值控制在了100 A左右。顯著降低了電流對(duì)設(shè)備造成的不良沖擊，能顯著提升電機(jī)的使用壽命。另外，正常工作時(shí)的平均電能消耗降低到了120 kVA左右。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，西門子變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用能夠節(jié)省電能消耗20%左右，可以為造紙車間創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境方面

沒有使用西門子變頻器時(shí)，供水系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間只有0.3 s左右。在這么短的時(shí)間內(nèi)，水流速度從零增加到正常工作速度，要求具備很大的加速度，這么大的加速度必然會(huì)對(duì)供水管網(wǎng)造成很嚴(yán)重的破壞，此現(xiàn)象稱之為“水錘效應(yīng)”。西門子變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以直接在控制系統(tǒng)中輸入設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間。通過這種方式能夠降低“水錘效應(yīng)”，進(jìn)而優(yōu)化管網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境，提升管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性及其壽命，能夠顯著降低造紙車間對(duì)供水系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)成本。

4 結(jié)論

1）在造紙車間供水系統(tǒng)中使用西門子變頻器，可以對(duì)供水機(jī)組中水泵的啟動(dòng)數(shù)量及水泵的供電電源頻率進(jìn)行有效控制，最終實(shí)現(xiàn)水壓恒定控制的目的；

2）供水系統(tǒng)中選用的是西門子S120型變頻器，該變頻器具備優(yōu)異的性能，完全能夠勝任實(shí)際工作需要；

3）西門子變頻器在造紙車間恒壓供水系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用，取得了很好的效果，顯著降低了車間工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、整個(gè)供水管網(wǎng)的損耗、供水系統(tǒng)的電能消耗，為造紙車間創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。