论文部分内容阅读
【摘 要】 本文从氨纶纤维生产的特点出发，分析了电网发生瞬时停电、电网低电压对生产的影响及对装置造成严重经济后果，提出了增加在线式EPS、在变频器直流中间环节增加储能电解电容、将PLC的交流供电改为直流供电并增加储能电解电容的技术对策，可供同行人员参考。
【关键词】 低电压;安川变频器;PLC;电容器;增压泵;SM风机
1.氨纶工艺简介
氨纶生产工艺主要有3种，分别为间歇工艺、半连续工艺和连续工艺。我公司属于连续工艺，需说明的是，由于各个氨纶生产商自身的经验及对工艺的改进程度不同，所以其设备有所不同。原料PTMEG和MDI加入第一反应器中，在一定的反应温度以及反应时间条件下进行反应，通过聚氨酯键形成预聚物。预聚物冷却到指定温度后与溶剂混和，被溶剂溶解后进一步冷却，然后送至第二反应器。在第二反应器中，预聚物与溶剂混和至指定浓度，通过扩链剂与预聚物反应进行链增长，聚合物与链中止剂反应终止反应（以下简称反应生成物为“聚合物”）。根据纺丝设备、氨纶丝的denier数、纺丝技术及速度不同，最终溶剂中聚合物浓度（以下简称“固含量”）应调整至35-37wt%。第二反应器中生成的聚合物被送至混合槽，在混合槽中加入热稳定剂（防止变黄、氧化），二氧化钛等必要助剂，再经过滤，脱气（此后的物料称为DOPE），然后送至纺丝工段。在溶解器至反应器的输送管线中，加入溶解有CEA、CTA的溶剂以及调节固含量的部分溶剂。预聚物混合物进入反应器进行链增长及链终止反应。在反应器至助剂混合槽的管线上加入溶解有所需助剂的溶剂，聚合物混和物进入助剂混合槽，然后经过滤，脱气，送至纺丝工段。纺丝工序：从纺丝液槽经增压泵输送来的纺丝液，通过纺丝计量泵定量均匀地进入纺丝组件。经纺丝板挤喷出形成丝条细流后，进入纺丝甬道。热媒（250℃左右的热空气）由纺丝上甬道引入，将纺丝液中的DMAC溶剂蒸发出来，并迅速排出。此时纺丝液凝固成为丝束，经假捻，上油后在卷绕机上卷成一定重量的成品丝饼，自动落筒。由人工装上丝车。根椐纺丝品种不同，可以调整纺丝甬道上、下回风量的比例，以保证氨纶纤维成品丝的品质。纺丝甬道所用的热媒，是由专门设计的热媒系统供给的。从纺丝甬道抽出含有DMAC气态的热风，经专用的溶剂冷凝回收装置的热交换器、冷凝器、将气态的DMAC冷凝成液体，回收送往精制工序。被冷却的热风经加热达到纺丝甬道要求的工艺温度后，由SM风机送至纺丝甬道使用。
2.瞬间低电压产生的危害
在我们长期对电气设备维护过程中，发现瞬时低电压（1秒以内，电压降幅巨大，有时可能降至正常的30%左右）造成的危害巨大，瞬时低电压的现象，最明显的例子就是屋内的日光灯突然一灭，马上又亮了，但许多电机、变频器都停止运行了，会造成连续性生产过程被打乱，产生大量小卷丝，和废原液，而且恢复生产时间长，并可能引起火灾避免因此造成不必要的设备损坏和经济损失，电力系统在运行过程中，由于雷击、对地短路、故障重合闸、备自投、企业外部、内部的电网故障、大型设备起动等原因，所造成的电网故障，会造成电压瞬间较大幅度波动或者短时断电又恢复，这种现象称为“晃电”。随着电网的发展、容量及规模的不断扩大，晃电现象发生的频率越来越多，由于现代化工矿企业生产装置的规模越来越大，晃电持续时间虽然比较短，但对生产的影响却十分巨大。瞬间的电压波动使大量的低压交流继电器和接触器，会由于线圈电压过低而释放使设备停机，电网电压恢复后电机不能自行恢复运行，导致连续生产过程紊乱，并有可能造成生产及设备事故。这对于氨纶连续生产装置来说，聚合需要清洗，纺丝需要操作工需要重新排料升头，产生的诸如安全、环保、废品、原料浪费、产量降低、效益低下等一系列损失是非常巨大的。
3.设计思路
我们的开关量主要由欧姆龙的PLC实现控制，普通电机、球阀，由PLC输单元，驱动24V继电器，来使球阀动作，对于电机是PLC输出单元驱动24V继电器，再通过驱动接触器，来使电机动作的，变频器的启动、停止及频率通过PLC的CJ1W-SCU41协议宏单元，通过通讯实现，监控由PLC的PRT21通过Profibus总线与横河的DCS通讯实现，而模拟量完全由DCS控制，所以我们首先要保证PLC、继电器和接触器要躲过瞬间低电压。第二在氨纶生产中纺丝机对同步的精确性、工艺流程参数变化范围越来越大，对变频调速转速的稳定性、运行的可靠性等有着严格的要求亦越来越高。广泛采用变频器调速，因此对主要影响生产的变频器也要采取措施，使其能躲过瞬间低电压。经认真研究和分析每次顺时低电压，产生的原因和结果，发现在聚合工序，只要对予聚合和第二反应的相关变频采取措施，即可使损失减到最小，另外在纺丝工序，只要每次低电压都能引起SM风机停车，SM风机停车由于联锁作用致使纺丝计量泵停车，从而使卷绕断头。供给纺丝计量泵原料的增压泵如果停车也会引起断头。为此我们决定在氨纶一二期予聚合给变频器设置2秒内自启动，在SM风机变频器、增压泵变频、纺丝计量泵变频中间直流环节加装储能电容器，为防止PLC失电，我们将原来PLC电源的模块，由交流220V改为直流24V，并加装加装储能电容器。
4.具体实现
首先将PLC供电由交流220V改为直流供电，即增加一个24V电源，并将原设计PLC的电源模块由交流PA205，改为直流24V的PD205直流电源模块供电，并增加直流储能电容，我们纺丝PLC共三个框架，每个框架约约10个单元，经实验每个框架加装6个4700微法耐压50V的电解电容器，即可满足两秒瞬间停电的要求。输出继电器，和计量泵交流接触器，经计算选用了2KVA的在线式EPS给它们供电。
我厂大多采用安川变频器，这些变频器当输入电压低于额定电压20%，或电压下降时间超过25ms时，就会掉电停机。作为用户，我们对电网质量的保障无能为力，但我们可以对我们的设备进行改进，最大限度地减少闪络给我们造成的经济损失。变频器的工作原理是“交直交”模式，又根据中间储能元件的不同分为：电流型和电压性，我们的变频器是电压型的，其储能元件是电容，因其自身带的电容容量较小，大部分不能跺过瞬间低电压带来的影响，为此我们加装电容器作为储能元件与变频器直流母线并联在一起，正常工作时，电容器充电储存能量处于热备状态，当电网闪络或跌落超过20%时，储能元件向变频器直流母线放电，维持变频器的正常运行，使得变频器渡过闪络时段，实现设备不间断运行。
因变频器直流母线直流电压为520-540V，而我们采用的单只日立电容的耐压是400V10000μF，所以我们采用先并后串的方法提高耐压值，储能单元电容量大小的选取以控制系统所需的功率、允许电压的变化量和放电支持时间为依据。电容器组输出的电压由两部分组成，一是电容器组对外输出的能量，另一部分是电容器组自身等效电阻消耗的能量。电容器电压与电流的关系式：I=cdu/dt式中：I-电流，C-电容量，dt-放电时间。电压变化量为：du=Idt/c等效内阻的电压降为：Ur=IR式中：Ur等效内阻两端的电压，R-等效内阻，I-电流。当充电或放电时，电压总的变化量是du+Ur。由上述公式可以看出，只要知道变频器的最大工作电压和最小工作电压、需要支持的功率、时间，就可以计算出支持输出功率所需的电容量。
5.经济分析、效益预测及社会效益预测
我们工厂发生一次顺间低电压，会造成很大的经济损失，这样对工厂的正常运行产生很大的经济影响。10年氨纶二期加装该瞬间低电压装置在后，每次短的顺间低电压都能躲过，保障了电机安全稳定的运行，每条聚合线可减少直接经济损失6万多元，并大大减轻了工人的工作量。到目前为止已成功跺过六次瞬间低电压，为公司节约36万多元。13年又在12000氨纶四期推广应用，目前该装置工作正常，更重要的是投资成本相对较低，具有非常广阔的推广应用前景。
参考文献：
[1]安川变频《VARISPEEDG7使用说明书》
[2]《钢铁企业电力设计手册》上册北京冶金出版社
[3] GB50227-2008《并联电容器装置设计规范》
【关键词】 低电压;安川变频器;PLC;电容器;增压泵;SM风机
1.氨纶工艺简介
氨纶生产工艺主要有3种，分别为间歇工艺、半连续工艺和连续工艺。我公司属于连续工艺，需说明的是，由于各个氨纶生产商自身的经验及对工艺的改进程度不同，所以其设备有所不同。原料PTMEG和MDI加入第一反应器中，在一定的反应温度以及反应时间条件下进行反应，通过聚氨酯键形成预聚物。预聚物冷却到指定温度后与溶剂混和，被溶剂溶解后进一步冷却，然后送至第二反应器。在第二反应器中，预聚物与溶剂混和至指定浓度，通过扩链剂与预聚物反应进行链增长，聚合物与链中止剂反应终止反应（以下简称反应生成物为“聚合物”）。根据纺丝设备、氨纶丝的denier数、纺丝技术及速度不同，最终溶剂中聚合物浓度（以下简称“固含量”）应调整至35-37wt%。第二反应器中生成的聚合物被送至混合槽，在混合槽中加入热稳定剂（防止变黄、氧化），二氧化钛等必要助剂，再经过滤，脱气（此后的物料称为DOPE），然后送至纺丝工段。在溶解器至反应器的输送管线中，加入溶解有CEA、CTA的溶剂以及调节固含量的部分溶剂。预聚物混合物进入反应器进行链增长及链终止反应。在反应器至助剂混合槽的管线上加入溶解有所需助剂的溶剂，聚合物混和物进入助剂混合槽，然后经过滤，脱气，送至纺丝工段。纺丝工序：从纺丝液槽经增压泵输送来的纺丝液，通过纺丝计量泵定量均匀地进入纺丝组件。经纺丝板挤喷出形成丝条细流后，进入纺丝甬道。热媒（250℃左右的热空气）由纺丝上甬道引入，将纺丝液中的DMAC溶剂蒸发出来，并迅速排出。此时纺丝液凝固成为丝束，经假捻，上油后在卷绕机上卷成一定重量的成品丝饼，自动落筒。由人工装上丝车。根椐纺丝品种不同，可以调整纺丝甬道上、下回风量的比例，以保证氨纶纤维成品丝的品质。纺丝甬道所用的热媒，是由专门设计的热媒系统供给的。从纺丝甬道抽出含有DMAC气态的热风，经专用的溶剂冷凝回收装置的热交换器、冷凝器、将气态的DMAC冷凝成液体，回收送往精制工序。被冷却的热风经加热达到纺丝甬道要求的工艺温度后，由SM风机送至纺丝甬道使用。
2.瞬间低电压产生的危害
在我们长期对电气设备维护过程中，发现瞬时低电压（1秒以内，电压降幅巨大，有时可能降至正常的30%左右）造成的危害巨大，瞬时低电压的现象，最明显的例子就是屋内的日光灯突然一灭，马上又亮了，但许多电机、变频器都停止运行了，会造成连续性生产过程被打乱，产生大量小卷丝，和废原液，而且恢复生产时间长，并可能引起火灾避免因此造成不必要的设备损坏和经济损失，电力系统在运行过程中，由于雷击、对地短路、故障重合闸、备自投、企业外部、内部的电网故障、大型设备起动等原因，所造成的电网故障，会造成电压瞬间较大幅度波动或者短时断电又恢复，这种现象称为“晃电”。随着电网的发展、容量及规模的不断扩大，晃电现象发生的频率越来越多，由于现代化工矿企业生产装置的规模越来越大，晃电持续时间虽然比较短，但对生产的影响却十分巨大。瞬间的电压波动使大量的低压交流继电器和接触器，会由于线圈电压过低而释放使设备停机，电网电压恢复后电机不能自行恢复运行，导致连续生产过程紊乱，并有可能造成生产及设备事故。这对于氨纶连续生产装置来说，聚合需要清洗，纺丝需要操作工需要重新排料升头，产生的诸如安全、环保、废品、原料浪费、产量降低、效益低下等一系列损失是非常巨大的。
3.设计思路
我们的开关量主要由欧姆龙的PLC实现控制，普通电机、球阀，由PLC输单元，驱动24V继电器，来使球阀动作，对于电机是PLC输出单元驱动24V继电器，再通过驱动接触器，来使电机动作的，变频器的启动、停止及频率通过PLC的CJ1W-SCU41协议宏单元，通过通讯实现，监控由PLC的PRT21通过Profibus总线与横河的DCS通讯实现，而模拟量完全由DCS控制，所以我们首先要保证PLC、继电器和接触器要躲过瞬间低电压。第二在氨纶生产中纺丝机对同步的精确性、工艺流程参数变化范围越来越大，对变频调速转速的稳定性、运行的可靠性等有着严格的要求亦越来越高。广泛采用变频器调速，因此对主要影响生产的变频器也要采取措施，使其能躲过瞬间低电压。经认真研究和分析每次顺时低电压，产生的原因和结果，发现在聚合工序，只要对予聚合和第二反应的相关变频采取措施，即可使损失减到最小，另外在纺丝工序，只要每次低电压都能引起SM风机停车，SM风机停车由于联锁作用致使纺丝计量泵停车，从而使卷绕断头。供给纺丝计量泵原料的增压泵如果停车也会引起断头。为此我们决定在氨纶一二期予聚合给变频器设置2秒内自启动，在SM风机变频器、增压泵变频、纺丝计量泵变频中间直流环节加装储能电容器，为防止PLC失电，我们将原来PLC电源的模块，由交流220V改为直流24V，并加装加装储能电容器。
4.具体实现
首先将PLC供电由交流220V改为直流供电，即增加一个24V电源，并将原设计PLC的电源模块由交流PA205，改为直流24V的PD205直流电源模块供电，并增加直流储能电容，我们纺丝PLC共三个框架，每个框架约约10个单元，经实验每个框架加装6个4700微法耐压50V的电解电容器，即可满足两秒瞬间停电的要求。输出继电器，和计量泵交流接触器，经计算选用了2KVA的在线式EPS给它们供电。
我厂大多采用安川变频器，这些变频器当输入电压低于额定电压20%，或电压下降时间超过25ms时，就会掉电停机。作为用户，我们对电网质量的保障无能为力，但我们可以对我们的设备进行改进，最大限度地减少闪络给我们造成的经济损失。变频器的工作原理是“交直交”模式，又根据中间储能元件的不同分为：电流型和电压性，我们的变频器是电压型的，其储能元件是电容，因其自身带的电容容量较小，大部分不能跺过瞬间低电压带来的影响，为此我们加装电容器作为储能元件与变频器直流母线并联在一起，正常工作时，电容器充电储存能量处于热备状态，当电网闪络或跌落超过20%时，储能元件向变频器直流母线放电，维持变频器的正常运行，使得变频器渡过闪络时段，实现设备不间断运行。
因变频器直流母线直流电压为520-540V，而我们采用的单只日立电容的耐压是400V10000μF，所以我们采用先并后串的方法提高耐压值，储能单元电容量大小的选取以控制系统所需的功率、允许电压的变化量和放电支持时间为依据。电容器组输出的电压由两部分组成，一是电容器组对外输出的能量，另一部分是电容器组自身等效电阻消耗的能量。电容器电压与电流的关系式：I=cdu/dt式中：I-电流，C-电容量，dt-放电时间。电压变化量为：du=Idt/c等效内阻的电压降为：Ur=IR式中：Ur等效内阻两端的电压，R-等效内阻，I-电流。当充电或放电时，电压总的变化量是du+Ur。由上述公式可以看出，只要知道变频器的最大工作电压和最小工作电压、需要支持的功率、时间，就可以计算出支持输出功率所需的电容量。
5.经济分析、效益预测及社会效益预测
我们工厂发生一次顺间低电压，会造成很大的经济损失，这样对工厂的正常运行产生很大的经济影响。10年氨纶二期加装该瞬间低电压装置在后，每次短的顺间低电压都能躲过，保障了电机安全稳定的运行，每条聚合线可减少直接经济损失6万多元，并大大减轻了工人的工作量。到目前为止已成功跺过六次瞬间低电压，为公司节约36万多元。13年又在12000氨纶四期推广应用，目前该装置工作正常，更重要的是投资成本相对较低，具有非常广阔的推广应用前景。
参考文献：
[1]安川变频《VARISPEEDG7使用说明书》
[2]《钢铁企业电力设计手册》上册北京冶金出版社
[3] GB50227-2008《并联电容器装置设计规范》