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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。它具有獨特的流變性，良好的水溶性，對熱及酸堿的穩定性，與多種鹽類(lèi)有很好的相容性，作為增調劑、懸浮劑、乳化劑、穩定劑，可廣泛應用于食品、石油、醫藥等20多個(gè)行業(yè)，是目前世界上生產(chǎn)規模較大且用途極為廣泛的微生物多糖。
2國內黃原膠的前期生產(chǎn)工藝現狀
　　發(fā)酵行業(yè)是現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(lái)得到迅速的發(fā)展，眾所周知，發(fā)酵工業(yè)離不開(kāi)發(fā)酵罐，隨著(zhù)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整。而目前在國內黃原膠的生產(chǎn)中，大多數廠(chǎng)家的前期生產(chǎn)工藝，發(fā)酵罐采用傳統的恒定轉速攪拌器來(lái)攪拌發(fā)酵液。這種攪拌器的轉速是根據菌種特性與參照菌種在不同生長(cháng)代謝階段的攝氧要求的最高轉速設定的，這種定速攪拌方式限制了發(fā)酵工藝流程的改進(jìn)，同時(shí)也浪費了大量能源。
3發(fā)酵罐攪拌器的轉速與黃原膠菌種生長(cháng)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基、PH值、溫度、通氣和攪拌等條件下進(jìn)行生長(cháng)與合成黃原膠的代謝活動(dòng)。發(fā)酵工藝的持續時(shí)間與發(fā)酵液內氧的傳遞能力、營(yíng)養物質(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(cháng)代謝活動(dòng)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(gè)角落，增加氣液接觸的有效面積，使發(fā)酵液隨攪拌葉轉動(dòng)形成渦流并提高其湍動(dòng)程度，減少菌絲因缺氧而產(chǎn)生結團現象，使氧的傳遞面積增大，延長(cháng)氧在發(fā)酵液中的停留時(shí)間，達到增加黃原膠產(chǎn)量的目的。
3.2攪拌器轉速對黃原膠發(fā)酵工藝的影響
　　發(fā)酵罐的罐壓維持微正狀態(tài)，雖然可以避免負壓時(shí)造成的染菌和延長(cháng)氧在發(fā)酵液中的停留時(shí)間，但是還應當考慮到，如將罐壓從微正狀態(tài)提高時(shí)，既不利于黃原膠菌種代謝時(shí)廢氣的排除與氧在發(fā)酵液內的傳遞，又增加了設備的負載，同時(shí)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(lái)提高供氧濃度，將會(huì )加快發(fā)酵液水分蒸發(fā)，隨之也會(huì )帶走更多的揮發(fā)性有機酸等其他的中間產(chǎn)物，對黃原膠菌種的代謝十分有利。同時(shí)，發(fā)酵液的黏度也會(huì )上升，還會(huì )影響液體的湍動(dòng)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(shí)，泡沫將劇增而穩定，且不易破裂，使氣液接觸的總面積降低。因此，為了消除過(guò)多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是，消沫劑用量過(guò)多時(shí)，不但不能消除泡沫，反而引起泡沫調節失控，PH值波動(dòng)，最終導致異常發(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(shí)間有限，對溶氧濃度的影響也將遠小于攪拌器轉速的影響。由此可見(jiàn)，在黃原膠發(fā)酵工藝中，并不提倡一味地增大空氣流量，而應適當調整攪拌器的轉速，以滿(mǎn)足不同黃原膠菌種及其在不同生長(cháng)代謝階段對溶氧的需求，同時(shí)可以改進(jìn)黃原膠發(fā)酵工藝，達到節約能源的目的。
　　根據黃原膠的菌種在不同生長(cháng)代謝階段，對攝氧量的不同要求及攪拌器轉速對溶氧濃度占據的主導地位，對黃原膠發(fā)酵罐的傳統攪拌器進(jìn)行調速技術(shù)改造非常必要，而變頻調速是眾多調速方案中的較佳選擇。通過(guò)發(fā)酵罐變頻改造工程，使黃原膠發(fā)酵工藝中攪拌器轉速、通氣量、溶氧濃度和罐壓等工藝參數有機結合，促使黃原膠菌種的生長(cháng)代謝條件達到較佳狀態(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)導決定對黃原膠發(fā)酵罐攪拌機，進(jìn)行變頻調速改造，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，該公司通過(guò)招標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，改造達到了預期的目的。
4現場(chǎng)負載工況
　　負載名稱(chēng)：黃原膠發(fā)酵罐攪拌機
　　電機參數
　　額定功率  450kW
　　額定電流  29A
　　額定電壓  10kV
　　額定頻率  50Hz
　　功率因數  0.89
　　電機啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng)，電機運行電流一般為24～33A，一次發(fā)酵周期為69～72h。
5風(fēng)光公司高壓變頻調速系統技術(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(wú)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，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。具體來(lái)說(shuō)，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)：
　?。?）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
　?。?）飛車(chē)啟動(dòng)功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動(dòng)。
　?。?）完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)?，F在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應于無(wú)備用裝置或不重要的運行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉換至工頻運行狀態(tài)，還可實(shí)現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個(gè)轉換過(guò)程不會(huì )對用戶(hù)設備的運行造成任何影響。
　?。?）旋轉中再啟動(dòng)功能。運行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動(dòng)運行到掉電前的頻率。
　?。?）線(xiàn)電壓自動(dòng)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(xiàn)電壓平衡，傳統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(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出較大且不相等的前提下保證較大的線(xiàn)電壓均衡輸出。
　?。?）單元直流電壓檢測：實(shí)時(shí)顯示檢測系統的直流電壓，從而實(shí)現輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實(shí)現對功率單元運行狀況的全面把握。
　?。?）單元內電解電容因采取了公司專(zhuān)利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。
　?。?） 散熱結構設計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過(guò)壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
　?。?） 具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會(huì )導致重大事故。變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。
　?。?0） 限流功能：當變頻器輸出電流超過(guò)設定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負載突然變化而引起的過(guò)流保護，最大限度減少停機次數。
　?。?1） 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過(guò)電流保護時(shí)，可自動(dòng)復位，繼續運行。
6改造系統原理圖
　　改造系統由一次回路進(jìn)線(xiàn)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過(guò)程中或變頻器出現故障，而不能排除故障時(shí)，將電機自動(dòng)投入到工頻運行，確保生產(chǎn)不受影響。
　　變頻運行時(shí)，變頻器為電機提供全面的保護。自動(dòng)旁路柜接線(xiàn)如圖1所示：

　　圖1旁路柜在變頻器進(jìn)、出線(xiàn)端增加了兩個(gè)隔離刀閘，以便在變頻器退出后而電機運行于旁路時(shí)，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護工作。
　　旁路柜主要配置：三個(gè)真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個(gè)刀閘隔離開(kāi)關(guān)K1、K2。KM2與KM3實(shí)現電氣互鎖，當KM1、KM2閉合，KM3斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當KM1、KM2斷開(kāi)，KM3閉合時(shí)，電機工頻運行。另外，KM1閉合時(shí)，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時(shí)，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
　　電機工頻運行時(shí)，若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護，切記在KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開(kāi)。
　　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(shí)，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開(kāi)，KM1、KM2跳閘，分斷變頻器輸入電源。
　　旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于KM3合閘回路。變頻運行狀態(tài)下，若變頻器出現故障且自動(dòng)投入允許，或者需要將電機從變頻投入到工頻狀態(tài)運行（按下“工頻投切”按鈕），系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開(kāi)關(guān)、真空接觸器KM1和KM2，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開(kāi)關(guān)KM3合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行。
　　保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
7風(fēng)光高壓變頻器控制系統
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(guò)變頻器的人機界面控制電機的啟動(dòng)和停機，并能完成變頻器的所有控制。
　　遠程控制：通過(guò)內置PLC接受來(lái)自現場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量控制。
　　上位控制：通過(guò)RS485接口，采用PROFIBUS通訊協(xié)議，接收上位DCS系統的控制；或與DCS硬連接。
　　7.2速度設置方式（或閉環(huán)運行時(shí)的給定方式）
　　風(fēng)光變頻器有多種速度設置方式，在閉環(huán)運行時(shí)，速度設置方式即為被控量的給定方式：
　　本地設置：通過(guò)薄膜式液晶屏設置運行頻率。
　　模擬設置：接收DCS系統0～10V或4～20mA模擬信號設置運行頻率或被控量給定值。
　　通訊設置：通過(guò)通訊方式接收來(lái)自DCS系統的運行頻率或被控量給定值。
　　多檔設置：通過(guò)開(kāi)關(guān)量設置多檔運行速度或被控量給定值。
　　閉環(huán)調節：由PID自動(dòng)設置運行頻率。
7.3運行方式
　　風(fēng)光變頻器有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種運行方式。
　　開(kāi)環(huán)運行：變頻器以設置頻率輸出。頻率（或稱(chēng)速度）的設置方式有本地設置、模擬設置、通訊設置和多檔設置。
　　閉環(huán)運行：對一個(gè)運行參數（如流量、壓力、溫度等，簡(jiǎn)稱(chēng)被控量，此處以壓力為例）實(shí)現跟蹤控制。閉環(huán)運行時(shí)，實(shí)際壓力信號來(lái)自于現場(chǎng)信號，而壓力期望值有3種設置方式，分別為本地設置、模擬設置、通訊設置。
7.4對外接口
　　模擬量輸入：2路，4～20mA 或0～5VDC 。4～20mA時(shí)輸入阻抗250Ω，0～5VDC電壓輸入時(shí)輸入阻抗≥10MΩ。用于接收速度設置或被控量設置的模擬信號。
　　模擬量輸出：2路，4～20mA 或0～5VDC輸出。4～20mA輸出時(shí)最大阻抗500Ω，0～5VDC電壓輸出時(shí)最小阻抗5000Ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度、變頻器的輸出電流等變量。
　　數字量輸入：32路，光電隔離，隔離電壓500VAC。接收遠程控制信號，速度給定開(kāi)關(guān)信號及各開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。
　　數字量輸出：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(kāi)斷等。
　　通訊接口：RS485，PROFIBUS通訊規約，實(shí)現與上位系統的通訊。
7.5全中文Windows人機界面
　?。?）主界面

　　圖2  主界面

　?。?）參數設置界面

　　圖3  參數設置界面

8攪拌機變頻改造使用效果
　　該公司攪拌機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。至今運行正常，風(fēng)光高壓變頻器贏(yíng)得了用戶(hù)的高度評價(jià)，改造達到了預期的效果。
　　變頻器投運后，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　?。?）由于發(fā)酵罐的攪拌器轉速得以有效地控制與調整，實(shí)現了較佳工況運行，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。
　?。?）在發(fā)酵工藝周期內，適當地降低了攪拌器轉速，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。
　?。?）減少了維護工作量和維護費用，延長(cháng)了設備的使用壽命。
　　由于變頻器采用軟起動(dòng)、軟停止工作方式，因此避免了電動(dòng)機全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，對電網(wǎng)、電氣設備及機械設備的沖擊，有效地延長(cháng)了設備的大修期和使用壽命，大大降低了維護工作量和維護成本。
　?。?）變頻器具有多項保護功能，十分完善。
　　與工頻系統相比較，變頻器具有過(guò)流、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。風(fēng)光高壓變頻器的星點(diǎn)漂移功能較大限度保證了設備的連續運行。
　?。?）節能效果顯著(zhù)。
　　黃原膠工作周期約為69～72小時(shí)，攪拌額定速度為120r/min。在每個(gè)發(fā)酵工作周期，為多級調速，運行頻率一般設定為20 Hz、30Hz、35 Hz、40Hz、45Hz左右。具體發(fā)酵過(guò)程共分十個(gè)時(shí)間段（單位：小時(shí)）和十個(gè)頻率段（單位：Hz），設定界面如圖4所示。

　　圖4  設定界面

　　變頻器運行中根據實(shí)際運行時(shí)間自動(dòng)選擇應該運行的時(shí)間段，然后將運行頻率調整至該時(shí)間段對應的頻率，時(shí)間段與頻率的對應關(guān)系如表1示：

　　如果某時(shí)間段內頻率設定為0，則該時(shí)間段變頻器將處于待機狀態(tài)，不輸出高壓電。
　　例如，將f1設定為0，則變頻器在（0－t1）時(shí)間段內處于待機狀態(tài)，而在（t1-t2）時(shí)間段內自動(dòng)以f2（f2大于0）頻率運行。將f8設為0，（t6-t7）時(shí)間段內以f7（f7大于0）頻率運行，（t7-t8）時(shí)間段內待機，（t8-t9）時(shí)間段內以f9（f9大于0）頻率運行。
　　如果用不了那么多時(shí)間段和頻率段，則只需將多余的頻率段與用到的最后一個(gè)頻率段設置成一樣即可，假如只用到七個(gè)頻率段，則將f8、f9、f10與f7設置成一樣即可。
　　經(jīng)測試，在同樣的工況下，攪拌機變頻運行與工頻運行相比，用電量減少25%左右，節電效果十分明顯。
9結束語(yǔ)
　　從黃原膠發(fā)酵罐變頻改造效果來(lái)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(mǎn)足了發(fā)酵生產(chǎn)工藝的要求，改善了發(fā)酵效果，節能效果顯著(zhù)，而且性能可靠，運行穩定。在提高發(fā)酵質(zhì)量的同時(shí)又得到極大的經(jīng)濟效益，具有廣闊的推廣意義。