變頻技術(shù)啤酒生產(chǎn)中的應(yīng)用
【前言】 自20世紀90年代，我國啤酒行業(yè)進入了快速發(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、包裝四個工序。
1、原料貯倉2、麥芽篩選機 3、提升機4、麥芽粉碎機5、糖化鍋6、大米篩選機7、大米粉碎機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 23、啤酒精濾機24、清酒罐25、洗瓶機 26、灌裝機 27、殺菌機28、貼標機29、裝箱機
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)濟效益。
二、啤酒行業(yè)節(jié)能與自動化
1、節(jié)能應(yīng)用
包裝車間和碳化車間兩個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入鍋爐省煤器或用于加熱鍋爐上水。僅這一個小舉措，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，對風機、水泵進行變頻改造，如大連華潤啤酒有限公司每年節(jié)電約100萬千瓦；對淋酒工序冷卻水回收利用分配系統(tǒng)進行改造，年節(jié)約75℃左右的熱水2.3萬方以上，節(jié)煤30000噸左右；噸酒耗水量等指標遠低于行業(yè)平均水平，取得了經(jīng)濟效益和社會效益的雙豐收。空壓機在啤酒生產(chǎn)工藝中應(yīng)用比較廣泛，工藝對供汽的連續(xù)性、可靠性要求非常高，供汽中斷或者壓力不穩(wěn)定，都將對企業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失。
2、自動線應(yīng)用
在啤酒、飲料機械中有很多機械通常會采用變頻調(diào)速技術(shù)。
在塑料瓶生產(chǎn)線中有如下機械會用到變頻器：理瓶機、沖瓶機、灌裝擰蓋機、溫瓶機、裝箱機、輸送系統(tǒng)。易拉罐灌裝生產(chǎn)線中的卸垛機、沖灌機、灌裝機、封蓋機、溫罐機、紙箱包裝機，輸送系統(tǒng)。啤酒、飲料等玻璃瓶生產(chǎn)線中的卸箱機、理瓶機、殺菌機、洗瓶機、裝瓶壓蓋機、貼標機、裝箱機、輸送系統(tǒng)。
總之，隨著啤酒、飲料生產(chǎn)線的自動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，通常會考慮變頻器的防護等級、抗干擾能力、甚至多臺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
空壓機在啤酒生產(chǎn)工藝中應(yīng)用比較廣泛，工藝對供汽的連續(xù)性、可靠性要求非常高，供汽中斷或者壓力不穩(wěn)定，都將對企業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失。
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兩臺；額定排氣壓力0.8Mpa，拖動電機為10極、132KW電機，額定電流299.5A,配套“星-角”啟動柜，生產(chǎn)供氣壓力上限0.7Mpa，下限0.6Mpa，依靠空壓機自帶機械式“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，壓縮機在滿載與空載之間頻繁啟動，對電網(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電能。
根據(jù)其工況要求，我司對該壓縮機進行變頻改造。由于壓縮機電機電流較大，采用PI7800 160G3變頻器（額定電流310A）驅(qū)動。
廠方改造要求保留原工頻啟動系統(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，本著少改動原控制柜內(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現(xiàn)，其余功能仍然保留在原儀表控制盤上。對原系統(tǒng)控制回路按照設(shè)計要求進行改造，既能滿足設(shè)計要求又能滿足操作人員的操作習慣。
變頻運行時，變頻柜設(shè)計開環(huán)運動，調(diào)節(jié)操作盤上的電位器進行調(diào)速方式，由于普傳科技PI7800系列變頻器有著友好的人機界面，可以方便的實現(xiàn)以上功能。也可以使用節(jié)點壓力表控制，不用汽時空壓機停止。壓縮機變頻運行時壓縮機電源通過接觸器單獨供電，并且在空壓機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)試先進行開環(huán)運行，使用控制盤面上的電位器進行頻率給定，壓縮機運行到額定轉(zhuǎn)速后，再給壓縮機加載，然后調(diào)節(jié)頻率使壓縮機排氣壓力保持在0.62Mpa，開環(huán)調(diào)試完畢；
使用效果：改造前，滿載運行電流299.5A，空載運行電流160A，平均加載時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，電價0.65元/kWh。
改造后年節(jié)約電費：
（ ×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，進行無級調(diào)速。以下為對灌裝機的生產(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帶的拖動電機。D帶與灌裝機機械聯(lián)動，E帶由另一電機拖動。另外，各帶上均有光電傳感器探測瓶流速度。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臺變頻器（編號INV1﹑2﹑3）分別控制3臺電機（M1﹑M2﹑M3）。PLC為FX2-64MR。FMA﹑11是來自灌裝機變頻器0~10V的輸出信號，經(jīng)過信號隔離器的轉(zhuǎn)換作為變頻器1﹑2﹑3的控制信號。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是來自灌裝機主機變頻器的輸出信號。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，進行無級調(diào)速。本現(xiàn)場采用0~10V模擬電壓作為給定量，進行開環(huán)調(diào)速；多段速采用外部輸入端子SS1、SS2、SS3、COM、FWD進行三段速調(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是啟動正轉(zhuǎn)信號。當Y10，Y11有輸出時，變頻器為低速運行；當Y10，Y12有輸出時，為中速運行；當Y10，Y13有輸出時為高速運行。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，通過調(diào)整W1﹑W2的分壓比設(shè)置KA1閉合時變頻器高速運行，KA2閉合時為低速運行，當KA1﹑KA2都斷開時，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)操作臺發(fā)出的信號，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。
調(diào)速方式一：來自灌裝機主機變頻器的模擬信號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，以控制電機M1﹑M2﹑M3，這樣可以做到輸送帶與灌裝機的速度很好匹配；
調(diào)速方式二：采用多段速控制，通過PLC編程，由PLC發(fā)出控制信號以控制速度。PLC根據(jù)灌裝機操作臺發(fā)出的信號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。在模擬信號控制時是通過輔助繼電器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)各個變頻器的輸出頻率以達到多段輸送帶的速度匹配及與灌裝機的速度匹配。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
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速度很好的匹配，運行穩(wěn)定可靠。實踐證明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變頻調(diào)速。
3、制麥項目
大連華潤啤酒有限公司塔式制麥項目生產(chǎn)線，采用13臺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、132 kW 6臺、160 kW 1臺。自2007年4月投產(chǎn)至今，效果良好。
4、制冷機改造
1）工況 變頻器控制黃河啤酒廠1號制冷機應(yīng)用實例，該例中，選用普傳科技生型號為PI7800220G3變頻器，制冷機為大連冷凍機廠生產(chǎn)，電機功率為190kW。PID調(diào)節(jié)是由變頻器自帶內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器完成。負載變化控制制冷機轉(zhuǎn)速方法中，我們目是想控制制冷機吸入口溫度，現(xiàn)場溫度采樣比較困難，而吸入口溫度與壓力又有著一定對應(yīng)關(guān)系，且現(xiàn)場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壓縮機吸入壓，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。同時考慮到制冷機工作時安全要求，我們將該制冷機原有溫度保護、油壓保護等中繼接入變頻器，保證有溫度保護或油壓保護動作時，變頻器能立即自動停機，防止機械設(shè)備損壞。另外該制冷機原為兩控制，采用變頻后我們?nèi)员３衷袃煽刂疲@樣，對操作人員來說，更易于操作。
2）原理：制冷機基本上是恒轉(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。但是制冷機結(jié)合實際機的使用范圍廣，一般都與電機的設(shè)計條件不完全一致。在運行條件上電壓也需要改變，最終仍需要實驗確定最佳/F模式。另外，為了改善加速時的效率雖然可以改用變頻器專用電機，但作為變頻器故障時的備用，變頻專用電機很難直接用工頻電源進行運行。而且改用變頻電機的費用會大幅增加，因此我們?nèi)圆捎迷械碾姍C及機械設(shè)備，只是將原有的自耦降壓啟動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，反饋增益極性為負極性。也即當吸入口壓力增大時，變頻器的輸出頻率也隨之增大，當吸入口壓力減小時，輸出頻率也隨之減小。
為了防止變頻器輸出頻率低時，制冷機散熱差及總體效率的降低，在變頻器上設(shè)定最低運行頻率為30Hz。
3）節(jié)能效果：壓縮機負載基本上是恒轉(zhuǎn)矩負載，對恒轉(zhuǎn)矩負載，電機的輸出功率P的一般表達式為
P∝T*N
表達式中，T：負載轉(zhuǎn)矩 N：電機轉(zhuǎn)速
這就是說，即使是恒轉(zhuǎn)矩負載，采用變頻器等使電機速度下降，電機的輸出功率將減小。變頻器輸入功率
PIN可用下式表示：
PIN=P/（ηINV*η m）
表達式中，PIN：變頻器輸入功率 ηINV：變頻器效率 η m ：電機的效率
由上式，假設(shè)總效率（ηINV*η m）對于電機的轉(zhuǎn)速為一定。則顯然電機轉(zhuǎn)速下降將引起電機輸出功率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、鼠籠電機的定子電壓控制等從前的調(diào)速電機，轉(zhuǎn)速下降時，總效率將大幅度降低，因而基本上得不到低速時的節(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，這個損耗基本與變頻器功率無關(guān)，因而電機功率越大，這個損耗所點的比例也越小，節(jié)能效果越顯著。同時變頻器方式具有耐夏季短時高峰負載（依靠增速）和精細溫度控制等優(yōu)點。
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