產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在羅茨鼓風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用
1引言
變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善設(shè)備的運(yùn)行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性，延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個發(fā)展方向。而通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象的方法，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。隨著當(dāng)今社會市場競爭不斷加劇，采用變頻調(diào)速技術(shù)對這類負(fù)載進(jìn)行改造，成為社會的潮流。
2用戶現(xiàn)場設(shè)備介紹
山西某煤化公司是一家集煤炭深加工及發(fā)電為一體的綜合性公司，其下屬焦化公司有一條年產(chǎn)60萬噸焦炭的煉焦生產(chǎn)線，其主要產(chǎn)出為焦炭、焦油及煤氣。煤氣主要供給后面的電廠發(fā)電用。在焦化公司與電廠之間傳輸煤氣用的兩臺煤氣加壓機(jī)，其主要功能是把焦化公司的焦?fàn)t產(chǎn)出的煤氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)吸收后，經(jīng)過加壓、通過管道輸送給電廠鍋爐作為燃?xì)獍l(fā)電。煤氣加壓機(jī)前級為焦捕柜，焦化爐產(chǎn)出的煤氣含有較多的焦油。焦捕柜的作用是把煤氣中含有的焦油吸收掉。
焦化廠配有兩臺煤氣加壓機(jī)，該設(shè)備為煤氣加壓系統(tǒng)中并聯(lián)使用，正常情況下一用一備。煤氣加壓機(jī)選用的風(fēng)機(jī)為羅茨風(fēng)機(jī)，羅茨風(fēng)機(jī)相比于離心風(fēng)機(jī)有兩個主要特點(diǎn)：（1）啟動時進(jìn)風(fēng)門和出風(fēng)門必須完全打開，（2）進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入羅茨風(fēng)機(jī)的氣體必須完全打出去。其生產(chǎn)流程圖如圖1所示。
圖1 焦化廠生產(chǎn)流程圖
這兩臺煤氣加壓機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。
表1 A、B煤氣加壓機(jī) | |||
電機(jī)參數(shù) | |||
負(fù)載名稱 | 煤氣加壓機(jī) | 所帶負(fù)載類型 | 羅茨風(fēng)機(jī) |
型號 | YB2-4505-10 | 額定電壓（kV） | 6 |
額定電流(A) | 38 | 額定功率(kW) | 280 |
額定頻率（Hz） | 50 | 功率因數(shù) | 0.8 |
額定轉(zhuǎn)速(rpm) | 594 | 絕緣等級 | F |
風(fēng)機(jī)參數(shù) | |||
型號 | ARMH750M | 升壓（kPa） | 13 |
額定風(fēng)量（m3/nin） | 740 | 額定轉(zhuǎn)速(rpm) | 590 |
額定功率(kW) | 280 | 出廠編號 | 12645 |
該設(shè)備由于輸送的是煤氣，煤氣中不可避免的含有一些焦油。羅茨風(fēng)機(jī)由于長期運(yùn)行以后粘附有很多焦油，增加了設(shè)備的阻力。另外羅茨風(fēng)機(jī)為風(fēng)門全開的情況下啟動，而且焦油在較冷的情況下阻力更大，所以羅茨風(fēng)機(jī)為典型的重載啟動負(fù)載。
原系統(tǒng)6kV高壓斷路器直接送到電機(jī)，沒有其他軟起設(shè)備，高壓電機(jī)與羅茨風(fēng)機(jī)直接用靠背輪連接。該設(shè)備由于是重載啟動，并且焦油冷態(tài)時阻力很大，所以直接啟動時啟動電流大，容易造成斷路器跳閘，需要多次合閘才能啟動。并且啟動前還需要給羅茨風(fēng)機(jī)打高溫蒸汽加熱。另外直接啟動有可能影響羅茨風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣隙。由于羅茨風(fēng)機(jī)選型偏大，電廠往往不需要羅茨風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣風(fēng)機(jī)只好打開回流閥，造成風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，廠領(lǐng)導(dǎo)為了提高煤氣加壓機(jī)的運(yùn)行效率，經(jīng)研究決定改造該設(shè)備，增加兩套高壓變頻器，采用壓力閉環(huán)控制。
經(jīng)過多方考察，通過招標(biāo)方式，廠領(lǐng)導(dǎo)決定采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-315F（315 kW /6kV）高壓變頻器2套作為羅茨風(fēng)機(jī)的改造設(shè)備，改造取得了成功。
3風(fēng)光公司JD-BP37-315F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹
3.1JD-BP37-315F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)
JD-BP37-315F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)如表2所示。
表2 JD-BP37-315F 高壓變頻器主要技術(shù)指標(biāo) | |||
變頻器容量（kW） | 400 | 模擬量輸入 | 0～5V/4～20mA，任意設(shè)定 |
適配電機(jī)功率（kW） | 315 | 模擬量輸出 | 兩路0～5V/4～20mA可選 |
額定輸出電流（A） | 38 | 加減速時間 | 1～6000s |
輸入頻率（Hz） | 45～55 | 開關(guān)量輸入輸出 | 可按用戶要求擴(kuò)展 |
額定輸入電壓（V） | 6000V（－20%～+15%） | 運(yùn)行環(huán)境溫度 | -10～40℃ |
輸入功率因數(shù) | >0.97（>20%負(fù)載） | 貯存/運(yùn)輸溫度 | -20～70℃ |
變頻器效率 | 額定負(fù)載下>0.98 | 冷卻方式 | 強(qiáng)迫風(fēng)冷 |
輸出頻率范圍（Hz） | 0～120 | 環(huán)境濕度 | <90%，無凝結(jié) |
輸出變頻分辨率（Hz） | 0.01 | 安裝海拔高度 | <1000m，高海拔降額使用 |
過載能力 | 105%連續(xù)，150%允許1min，180%立即保護(hù) | 防護(hù)等級 | IP20 |
3.2 JD-BP37-315F高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)
風(fēng)光牌JD-BP37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)小于IEEE519-1992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)。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
(1)高性能矢量控制，啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)，提高了設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性；
(2)振蕩抑制技術(shù)，采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制輕載電機(jī)電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作；
(3)快速飛車啟動技術(shù)，特別適用于變頻保護(hù)后的重新啟動，可實(shí)現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護(hù)狀態(tài)復(fù)位重新帶載運(yùn)行；
(4)電網(wǎng)瞬時掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間；
(5)星點(diǎn)漂移技術(shù)，檢測到單元故障后，可在100us之內(nèi)將單元旁路，執(zhí)行星點(diǎn)漂移技術(shù)，保持輸出線電壓平衡，最大程度提高電壓利用率；
(6)工、變頻無擾切換技術(shù)，該技術(shù)可滿足多電機(jī)綜合控制及大容量電機(jī)軟啟動的需要；可以實(shí)現(xiàn)大容量電機(jī)雙向無擾動投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行；
(7)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實(shí)時檢測各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能；
(8)故障單元熱復(fù)位技術(shù)，若單元在運(yùn)行中故障，且變頻器對其旁路繼續(xù)運(yùn)行，此時可在運(yùn)行中對故障單元進(jìn)行復(fù)位，不必等變頻器停機(jī)；
(9)多種控制方式，可選擇本機(jī)控制、遠(yuǎn)控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設(shè)定可以現(xiàn)場給定、通訊給定等，支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能；
(10)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；
(11)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；
(12)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；
(13)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)；
(14)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。
4變頻改造控制方案
為了充分保證煤氣加壓系統(tǒng)的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置，兩臺煤氣加壓機(jī)現(xiàn)有的控制設(shè)備和運(yùn)行方式仍將保留，控制回路上設(shè)計工頻/變頻運(yùn)行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實(shí)現(xiàn)兩臺煤氣加壓機(jī)在工頻或變頻運(yùn)行。
通過目前已有的DCS系統(tǒng)可顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。操作方面，有遠(yuǎn)程控制和本地控制2種控制的方式，這2種控制方式可提高系統(tǒng)的安全性能。變頻器內(nèi)置PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS-485)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展控制開關(guān)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
5高壓變頻器主回路控制方案
該用戶采用兩臺JD-BP37-315F（315kW/6kV）高壓變頻器分別控制兩臺煤氣加壓機(jī)，高壓變頻器設(shè)備安裝在風(fēng)機(jī)值班室內(nèi)，原高壓柜至電機(jī)的高壓電纜用做改造時電機(jī)至變頻器連接電纜，變頻器至高壓柜電纜重新敷設(shè)，同時敷設(shè)集控室至高壓變頻器的控制電纜用于變頻器的遠(yuǎn)程控制，采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信號，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制調(diào)節(jié)及信號反饋。此外還需敷設(shè)一根高壓柜至變頻器的控制電纜，用于高壓柜合閘允許和高壓柜緊急分閘控制。
兩臺高壓變頻器主回路控制方式相同，以A煤氣加壓機(jī)主回路控制為例說明，如圖2所示。
圖2 手動旁路柜
圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向1#變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時，A煤氣加壓機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時，A煤氣加壓機(jī)工頻運(yùn)行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。
故障分閘：將1#變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)1#變頻器出現(xiàn)故障時，分?jǐn)?#變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。保護(hù)：保持原有對電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。
6壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)原理、PID設(shè)定
由于該公司需要對煤氣壓力進(jìn)行控制，因此采用壓力閉環(huán)控制，其工作原理框圖如圖3所示，測量元件為壓力傳感器，將它安裝在羅茨風(fēng)機(jī)出氣口的官道上，Vi為需設(shè)定壓力值，壓力傳感器測量壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器通過采集測量V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過內(nèi)置PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器，直至達(dá)到給定液位的給定值Vi。
圖3 壓力閉環(huán)控制原理框圖
（1）在PID控制中，P系數(shù)加大，可以加快調(diào)節(jié)速度。但如果過大，系統(tǒng)容易因超調(diào)而震蕩。若P太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。P可正可負(fù)。如果比例系數(shù)為正，那么該回路為正作用回路；如果比例系數(shù)為負(fù)，那么該回路為反作用回路。本變頻器P設(shè)定為0.5。
（2）積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過強(qiáng)的積分作用使閉環(huán)系統(tǒng)超調(diào)加大。所以在調(diào)節(jié)過程初期，應(yīng)減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；而到過程后期，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)積分作用，以提高控制精度。本變頻器I設(shè)定為15.0。
風(fēng)光高壓變頻器內(nèi)置PID功能，其中PID 結(jié)構(gòu)參數(shù)具有以下選擇方式：
0：比例 PID 控制只比例增益起作用；
1：積分 PID 控制只積分增益起作用；
2：比例+ 積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用；
3：比例+ 積分+ 微分 PID 控制比例增益、積分增益和微分增益同時起作用。
本變頻器PID結(jié)構(gòu)功能選擇2，比例+積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用，完全可以滿足壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制要求，不需要設(shè)定微分參數(shù)。
7生產(chǎn)工藝參數(shù)調(diào)整
原系統(tǒng)改為變頻調(diào)速系統(tǒng)以后，有一些問題需要重新設(shè)定。如：放散閥的壓力設(shè)定，未改造前的原工頻運(yùn)行，放散閥的壓力為5kPa，也就是當(dāng)羅茨風(fēng)機(jī)后級的氣壓達(dá)到5kPa以上時，才開啟放散閥，排泄出多余的煤氣。由于羅茨風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn)，必須把進(jìn)風(fēng)閥門進(jìn)入的氣體完全打出去，當(dāng)后級的氣壓較高時，羅茨風(fēng)機(jī)負(fù)荷較重，電機(jī)電流已經(jīng)超過額定值較多，變頻器控制方式采用矢量控制，下限頻率設(shè)定為20Hz。經(jīng)過與客戶溝通后，正常煤氣加壓壓力為3kPa左右，基本滿足正常生產(chǎn)需要。這樣煤氣加壓系統(tǒng)可以進(jìn)一步降低消耗。
8變頻器運(yùn)行情況
A、B煤氣加壓機(jī)變頻節(jié)電改造后，2015年7月中旬，正式投入生產(chǎn)，至今運(yùn)行正常。系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果：實(shí)施變頻改造后，煤氣加壓站總用電量有明顯下降，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了軟起動，改善了設(shè)備的運(yùn)行工況，極大地減輕了羅茨風(fēng)機(jī)起動時對供配電系統(tǒng)的沖擊。
為了對比變頻改造節(jié)能情況，對工頻、變頻相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了一周統(tǒng)計，以A煤氣加壓機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 A煤氣加壓機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù) | ||||
調(diào)節(jié)方式 | 平均輸入電流（A) | 控制方式 | 電機(jī)平均功率（kW) | |
改造前 | 放風(fēng)閥 | 25 | 手動、閥門調(diào)節(jié) | 209.3 |
改造后 | 變頻調(diào)速 | 14.1 | 自動、恒液位 | 145.99 |
改造后，A煤氣加壓機(jī)的節(jié)電率為：（209.30-145.99）/209.30=30.25%，該設(shè)備年運(yùn)行時間300天，每天運(yùn)行24h。按0.51元/kW? h計算，年節(jié)省電費(fèi)：
（209.30-145.99）kW×24h×300d×0.51元/ kW? h =232474.6元。
除了節(jié)能效果顯著外，還具有以下效果：
（1）維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，大部分時間里，羅茨風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速大大低于額定轉(zhuǎn)速。由于加壓機(jī)啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，減少了風(fēng)機(jī)的零部件密封、軸承的磨損，相應(yīng)地延長了風(fēng)機(jī)的壽命。
（2）工作強(qiáng)度降低。改造后采用壓力閉環(huán)控制，就不用調(diào)節(jié)放風(fēng)閥，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?、監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度。
（3）現(xiàn)場噪音大大降低，有效改善現(xiàn)場的運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行人員反映良好；便于實(shí)現(xiàn)煤氣加壓站機(jī)組控制系統(tǒng)自動化管理。
9 結(jié)束語
經(jīng)過變頻改造后，煤氣加壓機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起軟停，不僅大大降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，而且使整個工藝流程更穩(wěn)定，達(dá)到了較好的節(jié)能效果。隨著國家對節(jié)能減排工作的越來越重視，企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本，其中變頻技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，適應(yīng)了國家建設(shè)資源節(jié)約型社會的潮流。
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