摘  要：本文結(jié)合黃原膠發(fā)酵工藝情況，介紹了高壓變頻器在黃原膠發(fā)酵中的應(yīng)用情況。通過改造，改善了發(fā)酵效果，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器   發(fā)酵罐    應(yīng)用

1引言

      黃原膠又名漢生膠，是由野油菜黃單胞桿菌以碳水化合物為主要原料（如玉米淀粉），經(jīng)發(fā)酵工程生產(chǎn)的一種作用廣泛的微生物胞外多糖。它具有獨(dú)特的流變性，良好的水溶性，對熱及酸堿的穩(wěn)定性，與多種鹽類有很好的相容性，作為增調(diào)劑、懸浮劑、乳化劑、穩(wěn)定劑，可廣泛應(yīng)用于食品、石油、醫(yī)藥等20多個行業(yè)，是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大且用途極為廣泛的微生物多糖。

2國內(nèi)黃原膠的前期生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀

      發(fā)酵行業(yè)是現(xiàn)代生物工程重要組成部分，特別是黃原膠等新型發(fā)酵行業(yè)，近幾年來得到迅速的發(fā)展，眾所周知，發(fā)酵工業(yè)離不開發(fā)酵罐，隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，發(fā)酵的不同階段，對發(fā)酵罐的攪拌速度需要不斷調(diào)整。而目前在國內(nèi)黃原膠的生產(chǎn)中，大多數(shù)廠家的前期生產(chǎn)工藝，發(fā)酵罐采用傳統(tǒng)的恒定轉(zhuǎn)速攪拌器來攪拌發(fā)酵液。這種攪拌器的轉(zhuǎn)速是根據(jù)菌種特性與參照菌種在不同生長代謝階段的攝氧要求的最高轉(zhuǎn)速設(shè)定的，這種定速攪拌方式限制了發(fā)酵工藝流程的改進(jìn)，同時也浪費(fèi)了大量能源。

3發(fā)酵罐攪拌器的轉(zhuǎn)速與黃原膠菌種生長代謝的關(guān)系

3.1攪拌器

      黃原膠生產(chǎn)發(fā)酵工藝是黃原膠菌種在適合的培養(yǎng)基、PH值、溫度、通氣和攪拌等條件下進(jìn)行生長與合成黃原膠的代謝活動。發(fā)酵工藝的持續(xù)時間與發(fā)酵液內(nèi)氧的傳遞能力、營養(yǎng)物質(zhì)的消耗程度、有毒性和有抑制性化合物的形成及菌種的物質(zhì)特性有關(guān)。其中通氣和攪拌功能是對黃原膠菌種提供生長代謝活動的氧源，而攪拌器的功能則是在發(fā)酵液通氣的條件下，將空氣打碎成小氣泡，使其均勻分布在發(fā)酵液的各個角落，增加氣液接觸的有效面積，使發(fā)酵液隨攪拌葉轉(zhuǎn)動形成渦流并提高其湍動程度，減少菌絲因缺氧而產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使氧的傳遞面積增大，延長氧在發(fā)酵液中的停留時間，達(dá)到增加黃原膠產(chǎn)量的目的。

3.2攪拌器轉(zhuǎn)速對黃原膠發(fā)酵工藝的影響

      發(fā)酵罐的罐壓維持微正狀態(tài)，雖然可以避免負(fù)壓時造成的染菌和延長氧在發(fā)酵液中的停留時間，但是還應(yīng)當(dāng)考慮到，如將罐壓從微正狀態(tài)提高時，既不利于黃原膠菌種代謝時廢氣的排除與氧在發(fā)酵液內(nèi)的傳遞，又增加了設(shè)備的負(fù)載，同時提高了有害氣體的溶解度。在這種情況下，如果單一考慮增大空氣流量來提高供氧濃度，將會加快發(fā)酵液水分蒸發(fā)，隨之也會帶走更多的揮發(fā)性有機(jī)酸等其他的中間產(chǎn)物，對黃原膠菌種的代謝十分有利。同時，發(fā)酵液的黏度也會上升，還會影響液體的湍動程度和氧從氣相傳遞到發(fā)酵液中的液膜阻力，使氧的傳遞阻力增大。此外，發(fā)酵液粘度較大時，泡沫將劇增而穩(wěn)定，且不易破裂，使氣液接觸的總面積降低。因此，為了消除過多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是，消沫劑用量過多時，不但不能消除泡沫，反而引起泡沫調(diào)節(jié)失控，PH值波動，最終導(dǎo)致異常發(fā)酵，造成不可挽回的黃原膠生產(chǎn)損失。由于空氣在發(fā)酵液中滯留的時間有限，對溶氧濃度的影響也將遠(yuǎn)小于攪拌器轉(zhuǎn)速的影響。由此可見，在黃原膠發(fā)酵工藝中，并不提倡一味地增大空氣流量，而應(yīng)適當(dāng)調(diào)整攪拌器的轉(zhuǎn)速，以滿足不同黃原膠菌種及其在不同生長代謝階段對溶氧的需求，同時可以改進(jìn)黃原膠發(fā)酵工藝，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

      根據(jù)黃原膠的菌種在不同生長代謝階段，對攝氧量的不同要求及攪拌器轉(zhuǎn)速對溶氧濃度占據(jù)的主導(dǎo)地位，對黃原膠發(fā)酵罐的傳統(tǒng)攪拌器進(jìn)行調(diào)速技術(shù)改造非常必要，而變頻調(diào)速是眾多調(diào)速方案中的最佳選擇。通過發(fā)酵罐變頻改造工程，使黃原膠發(fā)酵工藝中攪拌器轉(zhuǎn)速、通氣量、溶氧濃度和罐壓等工藝參數(shù)有機(jī)結(jié)合，促使黃原膠菌種的生長代謝條件達(dá)到最佳狀態(tài)。

      在黃原膠的生產(chǎn)成本中，電和蒸氣成本約占總成本的40%，為了降低發(fā)酵電耗成本，改善工藝流程，山東某生物發(fā)酵公司領(lǐng)導(dǎo)決定對黃原膠發(fā)酵罐攪拌機(jī)，進(jìn)行變頻調(diào)速改造，基于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司在發(fā)酵行業(yè)的良好表現(xiàn)，該公司通過招標(biāo)方式選擇了我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38型高壓變頻器對其進(jìn)行改造，改造達(dá)到了預(yù)期的目的。

4現(xiàn)場負(fù)載工況

負(fù)載名稱：黃原膠發(fā)酵罐攪拌機(jī)
電機(jī)參數(shù)

額定功率  450kW

額定電流  29A

額定電壓  10kV

額定頻率  50Hz

功率因數(shù)  0.89

電機(jī)啟動方式為直接啟動，電機(jī)運(yùn)行電流一般為24～33A，一次發(fā)酵周期為69～72h。

5風(fēng)光公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn) 

      風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。2007年，風(fēng)光高壓變頻器被評為中國名牌產(chǎn)品。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：        

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。

(2)飛車啟動功能。能夠識別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。

(3)完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。

(4)旋轉(zhuǎn)中再啟動功能。運(yùn)行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動運(yùn)行到掉電前的頻率。

(5)線電壓自動均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

(6)單元直流電壓檢測：實(shí)時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。

(7)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。

(8) 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu)，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue)，設(shè)備可靠性更高。

(9) 具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。

(10) 限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù)。

(11) 故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變造成單元或是整機(jī)過電流保護(hù)時，可自動復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。
6改造系統(tǒng)原理圖

      改造系統(tǒng)由一次回路進(jìn)線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護(hù)過程中或變頻器出現(xiàn)故障，而不能排除故障時，將電機(jī)自動投入到工頻運(yùn)行，確保生產(chǎn)不受影響。

      變頻運(yùn)行時，變頻器為電機(jī)提供全面的保護(hù)。自動旁路柜接線如圖1所示：

圖1  自動旁路柜

圖1旁路柜在變頻器進(jìn)、出線端增加了兩個隔離刀閘，以便在變頻器退出后而電機(jī)運(yùn)行于旁路時，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護(hù)工作。

      旁路柜主要配置：三個真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個刀閘隔離開關(guān)K1、K2。KM2與KM3實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，當(dāng)KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機(jī)工頻運(yùn)行。另外，KM1閉合時，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時，K2操作手柄被鎖死，不能操作。

     電機(jī)工頻運(yùn)行時，若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護(hù)，切記在KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開。

●合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分?jǐn)嘧冾l器輸入電源。

●旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于KM3合閘回路。變頻運(yùn)行狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障且自動投入允許，或者需要將電機(jī)從變頻投入到工頻狀態(tài)運(yùn)行（按下“工頻投切”按鈕），系統(tǒng)將首先分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入、輸出開關(guān)、真空接觸器KM1和KM2，經(jīng)過一定延時后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開關(guān)KM3合閘，電機(jī)投入電網(wǎng)工頻運(yùn)行。

●保護(hù)：保持原有對電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。

7風(fēng)光高壓變頻器控制系統(tǒng)

7.1控制方式

風(fēng)光變頻器有三種控制方式：

●本地控制：通過變頻器的人機(jī)界面控制電機(jī)的啟動和停機(jī)，并能完成變頻器的所有控制。

●遠(yuǎn)程控制：通過內(nèi)置PLC接受來自現(xiàn)場的開關(guān)量控制。

●上位控制：通過RS485接口，采用PROFIBUS通訊協(xié)議，接收上位DCS系統(tǒng)的控制；或與DCS硬連接。

7.2速度設(shè)置方式（或閉環(huán)運(yùn)行時的給定方式）

風(fēng)光變頻器有多種速度設(shè)置方式，在閉環(huán)運(yùn)行時，速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式：

●本地設(shè)置：通過薄膜式液晶屏設(shè)置運(yùn)行頻率。

● 模擬設(shè)置：接收DCS系統(tǒng)0～10V或4～20mA模擬信號設(shè)置運(yùn)行頻率或被控量給定值。

●通訊設(shè)置：通過通訊方式接收來自DCS系統(tǒng)的運(yùn)行頻率或被控量給定值。

●多檔設(shè)置：通過開關(guān)量設(shè)置多檔運(yùn)行速度或被控量給定值。

●閉環(huán)調(diào)節(jié)：由PID自動設(shè)置運(yùn)行頻率。

7.3運(yùn)行方式

風(fēng)光變頻器有開環(huán)和閉環(huán)兩種運(yùn)行方式。

●開環(huán)運(yùn)行：變頻器以設(shè)置頻率輸出。頻率（或稱速度）的設(shè)置方式有本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通訊設(shè)置和多檔設(shè)置。

●閉環(huán)運(yùn)行：對一個運(yùn)行參數(shù)（如流量、壓力、溫度等，簡稱被控量，此處以壓力為例）實(shí)現(xiàn)跟蹤控制。閉環(huán)運(yùn)行時，實(shí)際壓力信號來自于現(xiàn)場信號，而壓力期望值有3種設(shè)置方式，分別為本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通訊設(shè)置。

7.4對外接口

●模擬量輸入：2路，4～20mA 或0～5VDC 。4～20mA時輸入阻抗250Ω，0～5VDC電壓輸入時輸入阻抗≥10MΩ。用于接收速度設(shè)置或被控量設(shè)置的模擬信號。

●模擬量輸出：2路，4～20mA 或0～5VDC輸出。4～20mA輸出時最大阻抗500Ω，0～5VDC電壓輸出時最小阻抗5000Ω。以模擬方式輸出變頻器的運(yùn)行速度、變頻器的輸出電流等變量。

●數(shù)字量輸入：32路，光電隔離，隔離電壓500VAC。接收遠(yuǎn)程控制信號，速度給定開關(guān)信號及各開關(guān)狀態(tài)等。

●數(shù)字量輸出：16路，中間繼電器隔離，隔離電壓750VAC，接點(diǎn)容量5A。輸出變頻器狀態(tài)，控制主電源開斷等。

●通訊接口：RS485，PROFIBUS通訊規(guī)約，實(shí)現(xiàn)與上位系統(tǒng)的通訊。

7.5全中文Windows人機(jī)界面

（1）主界面

圖2  主界面

（2）參數(shù)設(shè)置界面

圖3  參數(shù)設(shè)置界面

8攪拌機(jī)變頻改造使用效果

      該公司攪拌機(jī)變頻技改工程選用新風(fēng)光630kW/10kV高壓變頻器,共計10臺，對攪拌罐進(jìn)行改造，工程于2007年下半年完成。至今運(yùn)行正常，風(fēng)光高壓變頻器贏得了用戶的高度評價，改造達(dá)到了預(yù)期的效果。變頻器現(xiàn)場運(yùn)行如圖4所示。

圖4  變頻器現(xiàn)場設(shè)備圖

變頻器投運(yùn)后，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于發(fā)酵罐的攪拌器轉(zhuǎn)速得以有效地控制與調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了最佳工況運(yùn)行，與工頻發(fā)酵罐相比較，使黃原膠產(chǎn)出的發(fā)酵單位提高了6%左右。

（2）在發(fā)酵工藝周期內(nèi)，適當(dāng)?shù)亟档土藬嚢杵鬓D(zhuǎn)速，有效地遏制了發(fā)酵液泡沫劇烈地生成，減少了染菌事故率。

（3）減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用，延長了設(shè)備的使用壽命。

由于變頻器采用軟起動、軟停止工作方式，因此避免了電動機(jī)全壓啟動時，對電網(wǎng)、電氣設(shè)備及機(jī)械設(shè)備的沖擊，有效地延長了設(shè)備的大修期和使用壽命，大大降低了維護(hù)工作量和維護(hù)成本。

（4）變頻器具有多項保護(hù)功能，十分完善。

與工頻系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護(hù)等多項保護(hù)功能，更精確地保護(hù)了電機(jī)。風(fēng)光高壓變頻器的星點(diǎn)漂移功能最大限度保證了設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行。

（5）節(jié)能效果顯著。

黃原膠工作周期約為69～72小時，攪拌額定速度為120r/min。在每個發(fā)酵工作周期，為多級調(diào)速，運(yùn)行頻率一般設(shè)定為20 Hz、30Hz、35 Hz、40Hz、45Hz左右。具體發(fā)酵過程共分十個時間段（單位：小時）和十個頻率段（單位：Hz），設(shè)定界面如圖5所示。

圖5  設(shè)定界面

變頻器運(yùn)行中根據(jù)實(shí)際運(yùn)行時間自動選擇應(yīng)該運(yùn)行的時間段，然后將運(yùn)行頻率調(diào)整至該時間段對應(yīng)的頻率，時間段與頻率的對應(yīng)關(guān)系如表1示：

表1  時間段與頻率的對應(yīng)關(guān)系
0－t1	t1-t2	t2-t3	t3-t4	t4-t5
f1	f2	f3	f4	f5
t5－t6	t6-t7	t7-t8	t8-t9	t9-t10
f6	f7	f8	f9	f10

如果某時間段內(nèi)頻率設(shè)定為0，則該時間段變頻器將處于待機(jī)狀態(tài)，不輸出高壓電。

      例如，將f1設(shè)定為0，則變頻器在(0－t1)時間段內(nèi)處于待機(jī)狀態(tài)，而在（t1-t2）時間段內(nèi)自動以f2（f2大于0）頻率運(yùn)行。將f8設(shè)為0，（t6-t7）時間段內(nèi)以f7（f7大于0）頻率運(yùn)行，（t7-t8）時間段內(nèi)待機(jī)，（t8-t9）時間段內(nèi)以f9（f9大于0）頻率運(yùn)行。

      如果用不了那么多時間段和頻率段，則只需將多余的頻率段與用到的最后一個頻率段設(shè)置成一樣即可，假如只用到七個頻率段，則將f8、f9、f10與f7設(shè)置成一樣即可。

經(jīng)測試，在同樣的工況下，攪拌機(jī)變頻運(yùn)行與工頻運(yùn)行相比，用電量減少25%左右，節(jié)電效果十分明顯。

9結(jié)束語

      從黃原膠發(fā)酵罐變頻改造效果來看，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38型高壓變頻器不僅滿足了發(fā)酵生產(chǎn)工藝的要求，改善了發(fā)酵效果，節(jié)能效果顯著，而且性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。在提高發(fā)酵質(zhì)量的同時又得到極大的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的推廣意義。