變頻技術(shù)啤酒生產(chǎn)中的應(yīng)用
【前言】 自20世紀(jì)90年代，我國啤酒行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，行業(yè)發(fā)展至今，我國的啤酒產(chǎn)量和人均消費(fèi)量均有大幅度提升。
一、啤酒生產(chǎn)工藝
啤酒生產(chǎn)工藝流程可以分為制麥、糖化、發(fā)酵、包裝四個(gè)工序。
1、原料貯倉2、麥芽篩選機(jī) 3、提升機(jī)4、麥芽粉碎機(jī)5、糖化鍋6、大米篩選機(jī)7、大米粉碎機(jī)8、糊化鍋 9、過濾槽10、麥糟輸送11、麥糟貯罐 12、煮沸鍋/回旋槽13、外加熱器14、酒花添加罐 15、麥汁冷卻器16、空氣過濾器17、酵母培養(yǎng)及添加罐18、發(fā)酵罐19、啤酒穩(wěn)定劑添加罐20、緩沖罐21、硅藻土添加罐22、硅藻土過濾機(jī) 23、啤酒精濾機(jī)24、清酒罐25、洗瓶機(jī) 26、灌裝機(jī) 27、殺菌機(jī)28、貼標(biāo)機(jī)29、裝箱機(jī)
在上面的各工序均可根據(jù)生產(chǎn)和工藝要求采用變頻器改造，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。
二、啤酒行業(yè)節(jié)能與自動(dòng)化
1、節(jié)能應(yīng)用
包裝車間和碳化車間兩個(gè)主要耗能部門的蒸汽冷凝水全部回收后，從一廠包裝車間北側(cè)的冷凝水回收罐直接進(jìn)入鍋爐省煤器或用于加熱鍋爐上水。僅這一個(gè)小舉措，就可以每年節(jié)水1.9萬方，節(jié)煤500噸，不僅極大節(jié)約了水資源和煤炭的消耗，而且大大降低了鍋爐廢氣排放對(duì)大氣的污染。
啤酒行業(yè)屬于能耗較高的行業(yè)，能源消耗費(fèi)用約占產(chǎn)品成本的15%。近年來，各啤酒廠把節(jié)約能源、降低消耗作為技術(shù)改造和創(chuàng)新工作的重點(diǎn)，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)行變頻改造，如大連華潤啤酒有限公司每年節(jié)電約100萬千瓦；對(duì)淋酒工序冷卻水回收利用分配系統(tǒng)進(jìn)行改造，年節(jié)約75℃左右的熱水2.3萬方以上，節(jié)煤30000噸左右；噸酒耗水量等指標(biāo)遠(yuǎn)低于行業(yè)平均水平，取得了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙豐收。空壓機(jī)在啤酒生產(chǎn)工藝中應(yīng)用比較廣泛，工藝對(duì)供汽的連續(xù)性、可靠性要求非常高，供汽中斷或者壓力不穩(wěn)定，都將對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
2、自動(dòng)線應(yīng)用
在啤酒、飲料機(jī)械中有很多機(jī)械通常會(huì)采用變頻調(diào)速技術(shù)。
在塑料瓶生產(chǎn)線中有如下機(jī)械會(huì)用到變頻器：理瓶機(jī)、沖瓶機(jī)、灌裝擰蓋機(jī)、溫瓶機(jī)、裝箱機(jī)、輸送系統(tǒng)。易拉罐灌裝生產(chǎn)線中的卸垛機(jī)、沖灌機(jī)、灌裝機(jī)、封蓋機(jī)、溫罐機(jī)、紙箱包裝機(jī)，輸送系統(tǒng)。啤酒、飲料等玻璃瓶生產(chǎn)線中的卸箱機(jī)、理瓶機(jī)、殺菌機(jī)、洗瓶機(jī)、裝瓶壓蓋機(jī)、貼標(biāo)機(jī)、裝箱機(jī)、輸送系統(tǒng)。
總之，隨著啤酒、飲料生產(chǎn)線的自動(dòng)化要求程度越來越高，變頻器在該行業(yè)的應(yīng)用越來越普遍，而且配套規(guī)格多在0.75—15KW。該行業(yè)的應(yīng)用在此不再舉例說明。
具體應(yīng)用中，通常會(huì)考慮變頻器的防護(hù)等級(jí)、抗干擾能力、甚至多臺(tái)變頻器之間的同步調(diào)節(jié)精度。
三、應(yīng)用舉例
1、節(jié)能改造
空壓機(jī)在啤酒生產(chǎn)工藝中應(yīng)用比較廣泛，工藝對(duì)供汽的連續(xù)性、可靠性要求非常高，供汽中斷或者壓力不穩(wěn)定，都將對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
華潤雪華啤酒(中國)有限公在全國經(jīng)營超過50家啤酒廠,2006年華潤雪花啤酒銷售量超500萬噸,成為中國銷量最大的啤酒企業(yè).華潤雪花啤酒遼寧分公司在沈陽、大連、鞍山、遼陽、盤錦、葫蘆島、丹東等城市擁有10家生產(chǎn)廠，員工總數(shù)超過7000人，生產(chǎn)能力超過160萬千升，是遼寧省最大的啤酒生產(chǎn)基地。
大連華潤啤酒有限公司易拉罐車間安裝了噴油式活塞壓縮機(jī)兩臺(tái)；額定排氣壓力0.8Mpa，拖動(dòng)電機(jī)為10極、132KW電機(jī)，額定電流299.5A,配套“星-角”啟動(dòng)柜，生產(chǎn)供氣壓力上限0.7Mpa，下限0.6Mpa，依靠空壓機(jī)自帶機(jī)械式“壓力調(diào)節(jié)器”控制吸汽閥開度來調(diào)節(jié)壓力，由于控制精度低，調(diào)節(jié)不方便，供氣壓力不穩(wěn)定，壓縮機(jī)在滿載與空載之間頻繁啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備及管道的沖擊很大，設(shè)備故障率高，維修量大，不但增加維修成本還浪費(fèi)電能。
根據(jù)其工況要求，我司對(duì)該壓縮機(jī)進(jìn)行變頻改造。由于壓縮機(jī)電機(jī)電流較大，采用PI7800 160G3變頻器（額定電流310A）驅(qū)動(dòng)。
廠方改造要求保留原工頻啟動(dòng)系統(tǒng)，變頻與工頻兩套系統(tǒng)可以互相切換，新增加控制柜一臺(tái)，本著少改動(dòng)原控制柜內(nèi)線路的原則，新增加的設(shè)備、電氣元件和功能都安排在變頻控制柜內(nèi)，工頻-變頻之間切換都在變頻柜上實(shí)現(xiàn)，其余功能仍然保留在原儀表控制盤上。對(duì)原系統(tǒng)控制回路按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行改造，既能滿足設(shè)計(jì)要求又能滿足操作人員的操作習(xí)慣。
變頻運(yùn)行時(shí)，變頻柜設(shè)計(jì)開環(huán)運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)操作盤上的電位器進(jìn)行調(diào)速方式，由于普傳科技PI7800系列變頻器有著友好的人機(jī)界面，可以方便的實(shí)現(xiàn)以上功能。也可以使用節(jié)點(diǎn)壓力表控制，不用汽時(shí)空壓機(jī)停止。壓縮機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)電源通過接觸器單獨(dú)供電，并且在空壓機(jī)的原來供電回路中加入隔離接觸器，防止工頻電源倒送至變頻器輸出端。
調(diào)試先進(jìn)行開環(huán)運(yùn)行，使用控制盤面上的電位器進(jìn)行頻率給定，壓縮機(jī)運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速后，再給壓縮機(jī)加載，然后調(diào)節(jié)頻率使壓縮機(jī)排氣壓力保持在0.62Mpa，開環(huán)調(diào)試完畢；
使用效果：改造前，滿載運(yùn)行電流299.5A，空載運(yùn)行電流160A，平均加載時(shí)間為每兩分鐘加載五分鐘；改造后用汽高峰電流299A，空載電流為零，按年工作300天，每天工作20小時(shí)，電價(jià)0.65元/kWh。
改造后年節(jié)約電費(fèi)：
（ ×380×0.85×160÷1000）×20× ×300×0.65=99,742元
平均半年即可收回投資。
2、生產(chǎn)線改造
啤酒生產(chǎn)中，酒瓶的傳送要求平穩(wěn)、勻速、并且能根據(jù)該道工序每瓶啤酒的處理周期調(diào)節(jié)送瓶速度。采用變頻器對(duì)生產(chǎn)線改造。普傳科技變頻器外部端子調(diào)速可分為模擬量調(diào)速和多段速調(diào)速。模擬量調(diào)速可用電壓DC0~10V或電流DC4~20mA，進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。以下為對(duì)灌裝機(jī)的生產(chǎn)線改造。
1）工藝流程如下圖：
根據(jù)工藝要求，灌裝機(jī)前面的輸送帶分成若干段。A﹑B﹑C﹑D﹑E為輸送帶，M1﹑M2﹑M3 分別為A﹑B﹑C帶的拖動(dòng)電機(jī)。D帶與灌裝機(jī)機(jī)械聯(lián)動(dòng)，E帶由另一電機(jī)拖動(dòng)。另外，各帶上均有光電傳感器探測(cè)瓶流速度。PLC根據(jù)瓶流調(diào)整各段輸送帶的速度。
2）電氣系統(tǒng)原理
選用3臺(tái)變頻器（編號(hào)INV1﹑2﹑3）分別控制3臺(tái)電機(jī)（M1﹑M2﹑M3）。PLC為FX2-64MR。FMA﹑11是來自灌裝機(jī)變頻器0~10V的輸出信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)隔離器的轉(zhuǎn)換作為變頻器1﹑2﹑3的控制信號(hào)。圖中KA1-6為輔助繼電器。W1-6為分壓電位器。PLC的輸入端子略。FMA﹑11是來自灌裝機(jī)主機(jī)變頻器的輸出信號(hào)。兩圖中的PLC為同一PLC，圖2中的COM6接DC24V電壓，控制輔助繼電器。
3）控制思想
普傳科技變頻器外部端子調(diào)速可分為模擬量調(diào)速和多段速調(diào)速。模擬量調(diào)速可
用電壓DC0~10V或電流DC4~20mA，進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。本現(xiàn)場(chǎng)采用0~10V模擬電壓作為給定量，進(jìn)行開環(huán)調(diào)速；多段速采用外部輸入端子SS1、SS2、SS3、COM、FWD進(jìn)行三段速調(diào)速。SS1、SS2、SS3是低﹑中﹑高三段速速度選擇端子，COM是輸入公共端， FWD是啟動(dòng)正轉(zhuǎn)信號(hào)。當(dāng)Y10，Y11有輸出時(shí)，變頻器為低速運(yùn)行；當(dāng)Y10，Y12有輸出時(shí)，為中速運(yùn)行；當(dāng)Y10，Y13有輸出時(shí)為高速運(yùn)行。變頻器2﹑3原理與此相同。三段速分別設(shè)置為15Hz﹑30Hz﹑45Hz。在模擬量調(diào)速時(shí)，通過調(diào)整W1﹑W2的分壓比設(shè)置KA1閉合時(shí)變頻器高速運(yùn)行，KA2閉合時(shí)為低速運(yùn)行，當(dāng)KA1﹑KA2都斷開時(shí)，變頻器為最高速；變頻器2﹑3原理與此相同。通過編程，PLC根據(jù)操作臺(tái)發(fā)出的信號(hào)，選擇控制方式：模擬量調(diào)速或多段速調(diào)速。普傳科技變頻器的多段速調(diào)速比模擬量調(diào)速有較高優(yōu)先級(jí)。
調(diào)速方式一：來自灌裝機(jī)主機(jī)變頻器的模擬信號(hào)DC0~10V，經(jīng)過隔離器轉(zhuǎn)換為線性DC0~10V，再經(jīng)過電位器分壓作為變頻器1﹑2﹑3的給定信號(hào)，以控制電機(jī)M1﹑M2﹑M3，這樣可以做到輸送帶與灌裝機(jī)的速度很好匹配；
調(diào)速方式二：采用多段速控制，通過PLC編程，由PLC發(fā)出控制信號(hào)以控制速度。PLC根據(jù)灌裝機(jī)操作臺(tái)發(fā)出的信號(hào)來判斷使用那種速度控制方式，又根據(jù)瓶流情況選擇高低速。在模擬信號(hào)控制時(shí)是通過輔助繼電器KA1和KA2,KA3和KA4,KA5和KA6的組合，經(jīng)W1﹑W2,W3﹑W4、W5﹑W6分壓控制變頻器輸出速度。在多段速時(shí)通過PLC的輸出Y10﹑Y11﹑Y12﹑Y13,Y20﹑Y21﹑Y22﹑Y23,Y24﹑Y25﹑Y26﹑Y27分別調(diào)節(jié)各個(gè)變頻器的輸出頻率以達(dá)到多段輸送帶的速度匹配及與灌裝機(jī)的速度匹配。在模擬控制方式調(diào)整中，電位器分壓比的調(diào)整是個(gè)關(guān)鍵，通過在生產(chǎn)調(diào)試中摸索，終于找到了比較好的速度匹配。分壓比一旦調(diào)好，不得隨意改動(dòng)
4） 應(yīng)用效果
在兩種速度控制方式下，分別調(diào)整各變頻器的多段速度頻率及電位器的分壓比，做到了輸送帶速度與灌裝機(jī)速度很好的匹配，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。實(shí)踐證明PI7000變頻器完全滿足啤酒灌裝生產(chǎn)線輸瓶帶的調(diào)速要求。提高了生產(chǎn)效率。此種變頻器控制方式也可用于其他需要速度配合的電機(jī)變頻調(diào)速。
3、制麥項(xiàng)目
大連華潤啤酒有限公司塔式制麥項(xiàng)目生產(chǎn)線，采用13臺(tái)PI7800變頻器及控制柜應(yīng)用于平底浸麥、發(fā)芽箱、 排潮工藝、焙焦工藝。容量為315kW6臺(tái)、132 kW 6臺(tái)、160 kW 1臺(tái)。自2007年4月投產(chǎn)至今，效果良好。
4、制冷機(jī)改造
1）工況 變頻器控制黃河啤酒廠1號(hào)制冷機(jī)應(yīng)用實(shí)例，該例中，選用普傳科技生型號(hào)為PI7800220G3變頻器，制冷機(jī)為大連冷凍機(jī)廠生產(chǎn)，電機(jī)功率為190kW。PID調(diào)節(jié)是由變頻器自帶內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器完成。負(fù)載變化控制制冷機(jī)轉(zhuǎn)速方法中，我們目是想控制制冷機(jī)吸入口溫度，現(xiàn)場(chǎng)溫度采樣比較困難，而吸入口溫度與壓力又有著一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，且現(xiàn)場(chǎng)管道上安裝壓力變送器更容些，本系統(tǒng)中，我們采用壓力傳感器檢測(cè)壓縮機(jī)吸入壓，變頻器控制該壓力維持恒定不變，則吸入口溫度也維持恒定不變。同時(shí)考慮到制冷機(jī)工作時(shí)安全要求，我們將該制冷機(jī)原有溫度保護(hù)、油壓保護(hù)等中繼接入變頻器，保證有溫度保護(hù)或油壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)，變頻器能立即自動(dòng)停機(jī)，防止機(jī)械設(shè)備損壞。另外該制冷機(jī)原為兩控制，采用變頻后我們?nèi)员３衷袃煽刂疲@樣，對(duì)操作人員來說，更易于操作。
2）原理：制冷機(jī)基本上是恒轉(zhuǎn)矩特性，所以只要使變頻器輸出電壓與頻率成比例就行了。但是制冷機(jī)結(jié)合實(shí)際機(jī)的使用范圍廣，一般都與電機(jī)的設(shè)計(jì)條件不完全一致。在運(yùn)行條件上電壓也需要改變，最終仍需要實(shí)驗(yàn)確定最佳/F模式。另外，為了改善加速時(shí)的效率雖然可以改用變頻器專用電機(jī)，但作為變頻器故障時(shí)的備用，變頻專用電機(jī)很難直接用工頻電源進(jìn)行運(yùn)行。而且改用變頻電機(jī)的費(fèi)用會(huì)大幅增加，因此我們?nèi)圆捎迷械碾姍C(jī)及機(jī)械設(shè)備，只是將原有的自耦降壓啟動(dòng)改為由變頻器控制的壓力閉環(huán)系統(tǒng)。
在閉環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成中，普傳科技生變頻器可定義兩種典型的輸入輸出特性，即正作用和反作用，這兩種特性可靈活應(yīng)用在不同反饋特性的控制系統(tǒng)中。在本系統(tǒng)中，采用反作用特性，反饋增益極性為負(fù)極性。也即當(dāng)吸入口壓力增大時(shí)，變頻器的輸出頻率也隨之增大，當(dāng)吸入口壓力減小時(shí)，輸出頻率也隨之減小。
為了防止變頻器輸出頻率低時(shí)，制冷機(jī)散熱差及總體效率的降低，在變頻器上設(shè)定最低運(yùn)行頻率為30Hz。
3）節(jié)能效果：壓縮機(jī)負(fù)載基本上是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電機(jī)的輸出功率P的一般表達(dá)式為
P∝T*N
表達(dá)式中，T：負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N：電機(jī)轉(zhuǎn)速
這就是說，即使是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，采用變頻器等使電機(jī)速度下降，電機(jī)的輸出功率將減小。變頻器輸入功率
PIN可用下式表示：
PIN=P/（ηINV*η m）
表達(dá)式中，PIN：變頻器輸入功率 ηINV：變頻器效率 η m ：電機(jī)的效率
由上式，假設(shè)總效率（ηINV*η m）對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速為一定。則顯然電機(jī)轉(zhuǎn)速下降將引起電機(jī)輸出功率P減小，與其成比例的變頻器輸入功率PIN也減小，即消耗電能降低。但是如圖2所示，為使電機(jī)轉(zhuǎn)速下降而使變頻器輸出頻率降低，則總效率也降低。但因頻率降低的幅度大于總效率降低的幅度，因此，與原先的控制方式相比，仍有顯著的節(jié)能效果。另外，電磁調(diào)速電機(jī)、鼠籠電機(jī)的定子電壓控制等從前的調(diào)速電機(jī)，轉(zhuǎn)速下降時(shí)，總效率將大幅度降低，因而基本上得不到低速時(shí)的節(jié)能效果。因此采用變頻器取代這些從前的調(diào)速方式，可以充分的節(jié)能。
變頻器方式由于除電力變換損耗外還有約5%的損耗，這個(gè)損耗基本與變頻器功率無關(guān)，因而電機(jī)功率越大，這個(gè)損耗所點(diǎn)的比例也越小，節(jié)能效果越顯著。同時(shí)變頻器方式具有耐夏季短時(shí)高峰負(fù)載（依靠增速）和精細(xì)溫度控制等優(yōu)點(diǎn)。
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