周紀(jì)平

（上海梅山鋼鐵股份有限公司設(shè)備室，江蘇南京210039）

節(jié)能環(huán)保是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中的重大任務(wù)之一，為此，對(duì)上海梅山鋼鐵股份有限公司三號(hào)燒結(jié)機(jī)實(shí)施智能化變頻改造. 二十世紀(jì)八十年代末，交流變頻調(diào)速逐漸在工業(yè)傳動(dòng)調(diào)速中使用，并日趨替代直流調(diào)速傳動(dòng). 交流變頻調(diào)速技術(shù)不僅調(diào)速曲線平滑、調(diào)速范圍大、效率高、啟動(dòng)電流小、運(yùn)行平穩(wěn)而且節(jié)能效果良好，更是風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備最佳的節(jié)能改造新技術(shù). 張?jiān)频葘?duì)馬鋼燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造,將傳統(tǒng)的大風(fēng)機(jī)電機(jī)采用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)，工頻運(yùn)行模式，改為既具有軟啟動(dòng)功能，又具備調(diào)速功能的變頻方式[1]. 該方式雖然可以達(dá)到一定的節(jié)能效果，但是在控制過程人為干擾太多，不具有智能化的效果. 張惠等在降低燒結(jié)系統(tǒng)電耗的實(shí)踐一文中，對(duì)環(huán)冷機(jī)密封裝置進(jìn)行改進(jìn)，并利用同步電動(dòng)機(jī)的有關(guān)工作特性，調(diào)整勵(lì)磁來實(shí)現(xiàn)節(jié)能[2]，但是在進(jìn)行裝置改造時(shí)會(huì)需要大量的人員，造成巨大的人力浪費(fèi)，并且節(jié)能效果不太理想. 針對(duì)燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn)，實(shí)施變頻技術(shù)改造，使用模糊PID控制技術(shù)對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行控制，同時(shí)，使用空水冷系統(tǒng)散熱，裝置運(yùn)行后，分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)變頻改造項(xiàng)目給本公司帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，且大大減少了空氣污染[3].

1 環(huán)冷風(fēng)機(jī)在冶煉燒結(jié)中的工藝應(yīng)用

梅山鋼鐵股份有限公司3# 燒結(jié)機(jī)環(huán)冷系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)機(jī)10 kV 3 550 kw，是屬于二次方遞減轉(zhuǎn)矩的負(fù)載性質(zhì)，對(duì)于這種轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，流量與負(fù)載的轉(zhuǎn)速成正比變化，壓力變化與流量變化是平方關(guān)系，功率變化與流量變化則是立方關(guān)系[4]，即當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從n1變到n2，風(fēng)量Q、風(fēng)壓H 及軸功率P 的變化關(guān)系為：

其中P1為風(fēng)機(jī)在n1轉(zhuǎn)速下的功率，P2為風(fēng)機(jī)在n1轉(zhuǎn)速下的功率.

經(jīng)過風(fēng)門、閥門和通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)負(fù)載大小的能量需求效果如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)速功率關(guān)系圖

變頻器調(diào)節(jié)方式的能量需求最低，曲線最接近負(fù)載能量需要的理想曲線.在實(shí)踐應(yīng)用和節(jié)能分析中，不能簡單依賴流量、壓力和功率三者之間的變化關(guān)系，還要考慮負(fù)載的型號(hào)選擇（如鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的選型倍數(shù)），負(fù)載平時(shí)的工作情況及其變化趨勢和負(fù)載變化引起的效率和功率因數(shù)等參數(shù)的變化.

變頻器的功能主要通過負(fù)載實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，加入模糊PID 控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制負(fù)載傳動(dòng)，優(yōu)化生產(chǎn)過程控制，提高生產(chǎn)效率，控制軟啟動(dòng)，延長設(shè)備使用壽命，節(jié)約風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的負(fù)載用電等.

燒結(jié)礦經(jīng)過高溫?zé)瞥珊笮枰鋮s，且冷卻均勻，才不會(huì)影響后續(xù)工藝穩(wěn)定進(jìn)行，一般要求溫度在80 ℃～150 ℃之間（最佳溫度100 ℃～120 ℃）. 出礦溫度太高（≥200 ℃），會(huì)使運(yùn)輸機(jī)膠帶長期受高溫影響使用壽命縮短；而溫度太低（≤60 ℃）容易造成急冷，使燒結(jié)礦變碎造成粉化，易造成燒結(jié)礦返礦，影響成品率和產(chǎn)量，造成資源浪費(fèi).

3 模糊PID 智能控制系統(tǒng)變頻節(jié)能改造

3.1 模糊PID智能控制系統(tǒng)

（1）工作原理

模糊控制系統(tǒng)中，把風(fēng)壓反饋值和目標(biāo)值比較，誤差e和誤差變化率ec作為輸入，輸出是PID的三個(gè)增益參數(shù)Kp、Ki、Kd.然后基于Mamdani算法和模糊推理規(guī)則求解. 經(jīng)解模糊得到標(biāo)準(zhǔn)化輸出，乘以對(duì)應(yīng)的量化因子得到PID調(diào)節(jié)值Kp、Ki、Kd. 傳入控制器即可對(duì)被控對(duì)象實(shí)時(shí)控制[5-12].模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)示意圖

（2）論域與隸屬度函數(shù)

設(shè)定模糊推理的輸入e和ec的論域均為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，對(duì)應(yīng)語言值為{負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），零（ZO），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）}，隸屬度函數(shù)均為三角形（trimf）、Z型（zmf）和S型（smf）；設(shè)定模糊推理的輸出Kp、Ki、Kd的論域均為{1,2,3,4}，采用的隸屬度函數(shù)為三角形（trimf）、Z型（zmf）和S型（smf）三種[4].

（3）控制規(guī)則

Kp、Ki、Kd的自調(diào)整規(guī)則如表1所示.

表1 模糊PID控制規(guī)則ΔKp、ΔKi、ΔKd值查詢表

根據(jù)模糊PID 控制器的隸屬度函數(shù)、論域及控制規(guī)則查詢表，可在MATLAB 軟件中的fuzzy 工具箱生成模糊PID 控制器，生成的模糊PID 控制器為兩輸入、三輸出系統(tǒng)，包含49條模糊規(guī)則.輸入變量e和ec的隸屬度曲線如圖3所示，輸出變量Kp、Ki、Kd的隸屬度曲線如圖4所示.

由于機(jī)械裝置的運(yùn)行特點(diǎn)和現(xiàn)場工況環(huán)境的變化，風(fēng)壓變化不均勻，在某一風(fēng)壓范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，幅值變化可能在某一區(qū)間比較集中，所以隸屬度函數(shù)變化是近似于三角形的波形，即針對(duì)e 和ec，Kp、Ki、Kd不同論域值對(duì)應(yīng)的隸屬度變化不同.

圖3 輸入變量隸屬度函數(shù)

圖4 輸出變量隸屬度函數(shù)

3.2 燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量，本著改動(dòng)最小、費(fèi)用最低的原則，綜合考慮設(shè)備安裝位置、電纜長度、敷設(shè)通道等因素在循環(huán)風(fēng)機(jī)旁新建變頻器配電室.加入模糊PID控制器對(duì)環(huán)冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)壓進(jìn)行控制.

（1）工作原理

燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)加入模糊PID 控制器，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓大小，變頻風(fēng)機(jī)上安裝一個(gè)壓力檢測器，安裝在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，用來實(shí)時(shí)檢測風(fēng)壓大小，及時(shí)反饋給系統(tǒng)輸入端，與風(fēng)壓目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比.具體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示.

圖5 燒結(jié)變頻環(huán)冷風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)

（2）仿真分析

在MATLAB/Simulink 仿真軟件下建立環(huán)冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型，模型主要由模糊PID控制器、干擾信號(hào)、被控系統(tǒng)（被控對(duì)象）、控制設(shè)定值等組成.控制對(duì)象風(fēng)壓是二階系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行仿真，測試信號(hào)是單位階躍信號(hào)，分別在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口壓力無干擾和有干擾情況下仿真，結(jié)果分別如圖6、圖7所示.

測試信號(hào)是單位階躍信號(hào)，即控制設(shè)定值的大小為1.將圖6進(jìn)行處理后可得出如下結(jié)論：系統(tǒng)無干擾時(shí)，模糊控制器控制的系統(tǒng)調(diào)整峰值為1.11，超調(diào)量為11%，調(diào)整時(shí)間20 s.常規(guī)PID控制情況下，系統(tǒng)調(diào)整幅值峰值是1.25，超調(diào)量是25%，調(diào)整時(shí)間是55 s. 對(duì)比數(shù)據(jù)分析，使用模糊PID 控制器對(duì)環(huán)冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能化變頻改造后，系統(tǒng)的快速性提升了35%，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間減少54%，風(fēng)壓控制精度提高16%，控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID 控制器. 由圖7 可知，在系統(tǒng)中加入[-0.1,0.1]的隨機(jī)信號(hào)，模糊PID控制器同常規(guī)PID 相比，其控制效果、穩(wěn)定性更優(yōu). 所以，傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)冷風(fēng)機(jī)閥門響應(yīng)時(shí)間長，延遲滯后時(shí)間久，而且容易引起系統(tǒng)超調(diào)，使用模糊PID控制器改善了這些情況.

圖6 無干擾仿真結(jié)果

圖7 有干擾仿真結(jié)果

4 節(jié)能后評(píng)價(jià)

上海梅山鋼鐵股份有限公司三號(hào)燒結(jié)機(jī)環(huán)冷系統(tǒng)為了節(jié)能環(huán)保，對(duì)10 kV 的循環(huán)風(fēng)機(jī)實(shí)施了變頻改造，使用模糊PID 控制方法對(duì)其實(shí)現(xiàn)了智能化控制，散熱部分的變頻設(shè)備由大功率電力電子元件組成，對(duì)設(shè)備本體散熱要求較高，采用了相對(duì)穩(wěn)定節(jié)能的空水冷卻系統(tǒng). 其中，改造前的采用空調(diào)制冷散熱方式需要約5 臺(tái)10 匹空調(diào)，改造后的變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)為3550 kW，配電室配備2 臺(tái)65 kW 水冷器，冷卻水源引至廠內(nèi)工業(yè)冷卻水，配備10匹分體式空調(diào)作為緊急備用. 改造后機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，變頻在調(diào)試和運(yùn)行以來未發(fā)生過故障，沒有進(jìn)行維護(hù)操作.

（1）模糊PID智能控制系統(tǒng)變頻節(jié)能改造

在保證風(fēng)壓不變的條件下，通過改變不同的機(jī)組功率，得到使用智能化控制的變頻改技術(shù)前后的循環(huán)風(fēng)機(jī)10 kV 電機(jī)電流情況，其中循環(huán)風(fēng)機(jī)電流對(duì)比如表2所示.

表2 改造前后循環(huán)風(fēng)機(jī)電流對(duì)比

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)，取所有測試負(fù)荷下各臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流，進(jìn)行計(jì)算可以得出：

①3#機(jī)改造前的平均電流，1A 為93.625 A，1B為90.561 A；

②3#機(jī)改造后的平均電流，2A 為67.356 A，2B為65.375 A；

③3#機(jī)改造后的平均電流比改造前的平均電流降低了25.728 A.

由計(jì)算得到的數(shù)據(jù)求得平均每小時(shí)節(jié)電：1.732×10000×27.6×0.88=392.14 kW，按此計(jì)算每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用：392.14×24×365×0.5=171.76萬元，耗電量比原來降低了27.94%，通過以上數(shù)據(jù)可以清晰地看出智能變頻改造后的節(jié)能效果顯著.

（2）散熱系統(tǒng)

①改造前一間采用空調(diào)制冷散熱方式的變頻室需要5臺(tái)10匹電空調(diào).

變頻室空調(diào)年耗電量：空調(diào)10匹×5臺(tái)×0.735×8760 h = 321930 kW·h. 變頻室空調(diào)年運(yùn)行電費(fèi)：321930 kW·h×0.5元=16.1萬元.

變頻室空調(diào)年平均維護(hù)費(fèi)用：約2萬/年.

②改造后一間采用的空水冷方式的變頻室變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)為3550 kW，配電室配備2 臺(tái)65 kW水冷器，變頻器發(fā)熱量按照總功率3%計(jì)算[13].

變頻室空水冷系統(tǒng)電機(jī)年耗電量：3550×3%÷(2×65) kW×5880 h = 4817.1 kW·h（氣溫低于20 ℃或冷卻水溫低于25 ℃時(shí)可以不開增壓風(fēng)機(jī)約2 880小時(shí)）. 變頻室空水冷系統(tǒng)年運(yùn)行電費(fèi)為0.241 萬元.空水冷系統(tǒng)基本上免維護(hù).

單間變頻室年節(jié)約電費(fèi)15.859 萬元. 變頻室采用空水冷散熱系統(tǒng)運(yùn)行的電費(fèi)只占空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)的1.5%. 因此變頻室采用空-水冷方式的散熱系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果.

5 結(jié)語

對(duì)上海梅山鋼鐵股份有限公司三號(hào)燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)實(shí)施智能化變頻改造，并投入運(yùn)行生產(chǎn)一年后，通過分析工業(yè)現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)可知，改造后使用模糊PID 控制器的系統(tǒng)裝置，系統(tǒng)的快速性提高了35%，靈敏度提高了54%，風(fēng)壓控制精度提高16%，壓力檢測裝置響應(yīng)時(shí)間變短，且超調(diào)減小，控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器.此外，采用空水冷方式對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，其節(jié)能環(huán)保的效果顯著.