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高压变频器在黄原胶发酵中的应用

发布时间:2020-04-14 作者:新风光

1引言
  黄原胶又名汉生胶,是由野油菜黄单胞杆菌以碳水化合物为主要原料(如玉米淀粉),经发酵工程生产的一种作用广泛的微生物胞外多糖。它具有独特的流变性,良好的水溶性,对热及酸碱的稳定性,与多种盐类有很好的相容性,作为增调剂、悬浮剂、乳化剂、稳定剂,可广泛应用于食品、石油、医药等20多个行业,是目前世界上生产规模较大且用途极为广泛的微生物多糖。
2国内黄原胶的前期生产工艺现状
  发酵行业是现代生物工程重要组成部分,特别是黄原胶等新型发酵行业,近几年来得到迅速的发展,众所周知,发酵工业离不开发酵罐,随着生产工艺的不断改进,发酵的不同阶段,对发酵罐的搅拌速度需要不断调整。而目前在国内黄原胶的生产中,大多数厂家的前期生产工艺,发酵罐采用传统的恒定转速搅拌器来搅拌发酵液。这种搅拌器的转速是根据菌种特性与参照菌种在不同生长代谢阶段的摄氧要求的最高转速设定的,这种定速搅拌方式限制了发酵工艺流程的改进,同时也浪费了大量能源。
3发酵罐搅拌器的转速与黄原胶菌种生长代谢的关系
3.1搅拌器
  黄原胶生产发酵工艺是黄原胶菌种在适合的培养基、ph值、温度、通气和搅拌等条件下进行生长与合成黄原胶的代谢活动。发酵工艺的持续时间与发酵液内氧的传递能力、营养物质的消耗程度、有毒性和有抑制性化合物的形成及菌种的物质特性有关。其中通气和搅拌功能是对黄原胶菌种提供生长代谢活动的氧源,而搅拌器的功能则是在发酵液通气的条件下,将空气打碎成小气泡,使其均匀分布在发酵液的各个角落,增加气液接触的有效面积,使发酵液随搅拌叶转动形成涡流并提高其湍动程度,减少菌丝因缺氧而产生结团现象,使氧的传递面积增大,延长氧在发酵液中的停留时间,达到增加黄原胶产量的目的。
3.2搅拌器转速对黄原胶发酵工艺的影响
  发酵罐的罐压维持微正状态,虽然可以避免负压时造成的染菌和延长氧在发酵液中的停留时间,但是还应当考虑到,如将罐压从微正状态提高时,既不利于黄原胶菌种代谢时废气的排除与氧在发酵液内的传递,又增加了设备的负载,同时提高了有害气体的溶解度。在这种情况下,如果单一考虑增大空气流量来提高供氧浓度,将会加快发酵液水分蒸发,随之也会带走更多的挥发性有机酸等其他的中间产物,对黄原胶菌种的代谢十分有利。同时,发酵液的黏度也会上升,还会影响液体的湍动程度和氧从气相传递到发酵液中的液膜阻力,使氧的传递阻力增大。此外,发酵液粘度较大时,泡沫将剧增而稳定,且不易破裂,使气液接触的总面积降低。因此,为了消除过多的泡沫就要耗用大量的消沫剂。但是,消沫剂用量过多时,不但不能消除泡沫,反而引起泡沫调节失控,ph值波动,最终导致异常发酵,造成不可挽回的黄原胶生产损失。由于空气在发酵液中滞留的时间有限,对溶氧浓度的影响也将远小于搅拌器转速的影响。由此可见,在黄原胶发酵工艺中,并不提倡一味地增大空气流量,而应适当调整搅拌器的转速,以满足不同黄原胶菌种及其在不同生长代谢阶段对溶氧的需求,同时可以改进黄原胶发酵工艺,达到节约能源的目的。
  根据黄原胶的菌种在不同生长代谢阶段,对摄氧量的不同要求及搅拌器转速对溶氧浓度占据的主导地位,对黄原胶发酵罐的传统搅拌器进行调速技术改造非常必要,而变频调速是众多调速方案中的较佳选择。通过发酵罐变频改造工程,使黄原胶发酵工艺中搅拌器转速、通气量、溶氧浓度和罐压等工艺参数有机结合,促使黄原胶菌种的生长代谢条件达到较佳状态。
  在黄原胶的生产成本中,电和蒸气成本约占总成本的40%,为了降低发酵电耗成本,改善工艺流程,山东某生物发酵公司领导决定对黄原胶发酵罐搅拌机,进行变频调速改造,基于山东新风光电子科技发展有限公司在发酵行业的良好表现,该公司通过招标方式选择了我公司生产的风光牌jd-bp38型高压变频器对其进行改造,改造达到了预期的目的。
4现场负载工况
  负载名称:黄原胶发酵罐搅拌机
  电机参数
  额定功率  450kw
  额定电流  29a
  额定电压  10kv
  额定频率  50hz
  功率因数  0.89
  电机启动方式为直接启动,电机运行电流一般为24~33a,一次发酵周期为69~72h。
5风光公司高压变频调速系统技术特点
  风光牌jd-bp38系列高压变频器以高速dsp为控制核心,采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术,属高-高电压源型变频器,其谐波指标小于iee519-1992的谐波国家标准,输入功率因数高,输出波形质量好,不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器;不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,可以使用普通的异步电机。具体来说,风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外,还具有以下突出特点:
  (1)采用高速dsp作为中央处理器,运算速度更快,控制更精准。
  (2)飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
  (3)完整的工频/变频自动互切技术。现在的高压变频调速系统一般设置工频旁路切换柜,变频器发生故障时能使高压电机转至工频运行,旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式,手动旁路需人工操作,适应于无备用装置或不重要的运行工况,自动旁路可在变频器发生故障后直接自动转换至工频运行。新风光公司提供的自动旁路切换柜,不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态,还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频运行的功能,整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。
  (4)旋转中再启动功能。运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复,高压变频器不停机,高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
  (5)线电压自动均衡技术(星点漂移技术)。变频器某相有单元故障后,为了使线电压平衡,传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压,而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角,在相电压输出较大且不相等的前提下保证较大的线电压均衡输出。
  (6)单元直流电压检测:实时显示检测系统的直流电压,从而实现输出电压的优化控制,降低谐波含量,保证输出电压的精度,提升系统控制性能,并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。
  (7)单元内电解电容因采取了公司专利技术,可以将其使用寿命提高1倍。
  (8) 散热结构设计合理,单元串联多重化并联结构,igbt承受的电压较低,可以有较宽的过压范围(≥1.15ue),设备可靠性更高。
  (9) 具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路,此时如果变频器不具备相间短路保护功能,将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出,保护设备不受损害,避免事故的发生。
  (10) 限流功能:当变频器输出电流超过设定值,变频器将自动限制电流输出,避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护,最大限度减少停机次数。
  (11) 故障自复位功能:当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时,可自动复位,继续运行。
6改造系统原理图
  改造系统由一次回路进线柜(旁路柜)、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障,而不能排除故障时,将电机自动投入到工频运行,确保生产不受影响。
  变频运行时,变频器为电机提供全面的保护。自动旁路柜接线如图1所示:

  图1旁路柜在变频器进、出线端增加了两个隔离刀闸,以便在变频器退出后而电机运行于旁路时,能安全地进行变频器的故障处理或维护工作。
  旁路柜主要配置:三个真空接触器(km1、km2、km3)和两个刀闸隔离开关k1、k2。km2与km3实现电气互锁,当km1、km2闭合,km3断开时,电机变频运行;当km1、km2断开,km3闭合时,电机工频运行。另外,km1闭合时,k1操作手柄被锁死,不能操作;km2闭合时,k2操作手柄被锁死,不能操作。
  电机工频运行时,若需对变频器进行故障处理或维护,切记在km1、km2分闸状态下,将隔离刀闸k1和k2断开。
  合闸闭锁:将变频器“合闸允许”信号串联于km1、km2合闸回路。在变频器故障或不就绪时,真空接触器km1、km2合闸不允许;在km1、km2合闸状态下,若变频器出现故障,则“合闸允许”断开,km1、km2跳闸,分断变频器输入电源。
  旁路投入:将变频器“旁路投入”信号并联于km3合闸回路。变频运行状态下,若变频器出现故障且自动投入允许,或者需要将电机从变频投入到工频状态运行(按下“工频投切”按钮),系统将首先分断变频器高压输入、输出开关、真空接触器km1和km2,经过一定延时后,“旁路投入”闭合,即工频旁路开关km3合闸,电机投入电网工频运行。
  保护:保持原有对电机的保护及其整定值不变。
7风光高压变频器控制系统
7.1控制方式
  风光变频器有三种控制方式:
  本地控制:通过变频器的人机界面控制电机的启动和停机,并能完成变频器的所有控制。
  远程控制:通过内置plc接受来自现场的开关量控制。
  上位控制:通过rs485接口,采用profibus通讯协议,接收上位dcs系统的控制;或与dcs硬连接。
  7.2速度设置方式(或闭环运行时的给定方式)
  风光变频器有多种速度设置方式,在闭环运行时,速度设置方式即为被控量的给定方式:
  本地设置:通过薄膜式液晶屏设置运行频率。
  模拟设置:接收dcs系统0~10v或4~20ma模拟信号设置运行频率或被控量给定值。
  通讯设置:通过通讯方式接收来自dcs系统的运行频率或被控量给定值。
  多档设置:通过开关量设置多档运行速度或被控量给定值。
  闭环调节:由pid自动设置运行频率。
7.3运行方式
  风光变频器有开环和闭环两种运行方式。
  开环运行:变频器以设置频率输出。频率(或称速度)的设置方式有本地设置、模拟设置、通讯设置和多档设置。
  闭环运行:对一个运行参数(如流量、压力、温度等,简称被控量,此处以压力为例)实现跟踪控制。闭环运行时,实际压力信号来自于现场信号,而压力期望值有3种设置方式,分别为本地设置、模拟设置、通讯设置。
7.4对外接口
  模拟量输入:2路,4~20ma 或0~5vdc 。4~20ma时输入阻抗250ω,0~5vdc电压输入时输入阻抗≥10mω。用于接收速度设置或被控量设置的模拟信号。
  模拟量输出:2路,4~20ma 或0~5vdc输出。4~20ma输出时最大阻抗500ω,0~5vdc电压输出时最小阻抗5000ω。以模拟方式输出变频器的运行速度、变频器的输出电流等变量。
  数字量输入:32路,光电隔离,隔离电压500vac。接收远程控制信号,速度给定开关信号及各开关状态等。
  数字量输出:16路,中间继电器隔离,隔离电压750vac,接点容量5a。输出变频器状态,控制主电源开断等。
  通讯接口:rs485,profibus通讯规约,实现与上位系统的通讯。
7.5全中文windows人机界面
  (1)主界面

  图2  主界面

  (2)参数设置界面

  图3  参数设置界面

8搅拌机变频改造使用效果
  该公司搅拌机变频技改工程选用新风光630kw/10kv高压变频器,共计10台,对搅拌罐进行改造,工程于2007年下半年完成。至今运行正常,风光高压变频器赢得了用户的高度评价,改造达到了预期的效果。
  变频器投运后,具有以下优点:
  (1)由于发酵罐的搅拌器转速得以有效地控制与调整,实现了较佳工况运行,与工频发酵罐相比较,使黄原胶产出的发酵单位提高了6%左右。
  (2)在发酵工艺周期内,适当地降低了搅拌器转速,有效地遏制了发酵液泡沫剧烈地生成,减少了染菌事故率。
  (3)减少了维护工作量和维护费用,延长了设备的使用寿命。
  由于变频器采用软起动、软停止工作方式,因此避免了电动机全压启动时,对电网、电气设备及机械设备的冲击,有效地延长了设备的大修期和使用寿命,大大降低了维护工作量和维护成本。
  (4)变频器具有多项保护功能,十分完善。
  与工频系统相比较,变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升保护等多项保护功能,更精确地保护了电机。风光高压变频器的星点漂移功能较大限度保证了设备的连续运行。
  (5)节能效果显著。
  黄原胶工作周期约为69~72小时,搅拌额定速度为120r/min。在每个发酵工作周期,为多级调速,运行频率一般设定为20 hz、30hz、35 hz、40hz、45hz左右。具体发酵过程共分十个时间段(单位:小时)和十个频率段(单位:hz),设定界面如图4所示。

  图4  设定界面

  变频器运行中根据实际运行时间自动选择应该运行的时间段,然后将运行频率调整至该时间段对应的频率,时间段与频率的对应关系如表1示:

  如果某时间段内频率设定为0,则该时间段变频器将处于待机状态,不输出高压电。
  例如,将f1设定为0,则变频器在(0-t1)时间段内处于待机状态,而在(t1-t2)时间段内自动以f2(f2大于0)频率运行。将f8设为0,(t6-t7)时间段内以f7(f7大于0)频率运行,(t7-t8)时间段内待机,(t8-t9)时间段内以f9(f9大于0)频率运行。
  如果用不了那么多时间段和频率段,则只需将多余的频率段与用到的最后一个频率段设置成一样即可,假如只用到七个频率段,则将f8、f9、f10与f7设置成一样即可。
  经测试,在同样的工况下,搅拌机变频运行与工频运行相比,用电量减少25%左右,节电效果十分明显。
9结束语
  从黄原胶发酵罐变频改造效果来看,山东新风光电子科技发展有限公司生产的jd-bp38型高压变频器不仅满足了发酵生产工艺的要求,改善了发酵效果,节能效果显著,而且性能可靠,运行稳定。在提高发酵质量的同时又得到极大的经济效益,具有广阔的推广意义。

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