產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在洗煤廠介質泵上的應用
1前言
重介旋流器選煤技術是目前分選難選煤、極難選煤效率最高的物理選煤方法，具有分選精度高、密度調節范圍寬、處理量大等特點，越來越多地被煤炭加工企業所采用。生產過程中，關鍵設備介質泵能否實現調速運轉，使旋流器始終處于合理的工作狀態而至關重要。
新疆伊犁鋼鐵有限責任公司位于美麗的鞏乃斯草原新源縣則克臺鎮，始建于1958年，注冊資金4億元，現有員工5500余人，2011年實現銷售收入19.27億元，利稅8.23億元。瑞祥洗煤廠為伊犁鋼鐵公司的下屬公司。洗煤廠介質泵靠調節進口閘門和分流來滿足入口壓力的要求。這種方法使得介質泵運行狀態變差。設備長期滿負荷運行，運行振動大，起動時間長，喘振嚴重，設備功耗大。設備磨損大，維修量增加。眾所周知，介質泵為旋流器的正常分選提供所需的工作介質和壓力。介質泵選型與運行過程調控的科學性對提高分選系統的穩定性與分選精度，降低系統管理、維護難度和運行成本，延長循環泵及系統的壽命等有很大的影響。采用先進的調速技術可以對介質泵進行有效控制和在線調節旋流器的工作壓力。2012年洗煤廠技改項目中廠領導經過調研，決定采用變頻技術對介質泵進行控制，通過招標方式選用了山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38系列高壓變頻器，改造取得了成功。
2旋流器、介質泵工作原理及其調節
2.1旋流器、介質泵
旋流器的工作原理是離心沉降。待分離礦漿在泵的壓力作用下，以旋流器的周邊切向進入，而后在旋流器的內部形成旋轉剪切湍流運動，從而獲得較大的離心力。
礦漿內含的粗顆粒與細顆粒之間由于粒度和密度的差異，所受到的離心力、向心浮力和流體曳力的大小均不相同，粗顆粒和細顆粒的運動方向就會不同。粗顆粒較重、重力作用更大，并會從旋流器底部的流口排出，而細顆粒較輕、離心力作用更大，就會從旋流器的溢流管排出，從而達到分離分級的目的。
為確保粗礦和細礦顆粒的有效分離，精確控制旋流器入口壓力至關重要。旋流器工作所需的介質懸浮液及工作動力由介質泵提供。采用壓力傳感器檢測旋流器入口壓力，變送成4~20mA送入DCS集控室，經PID運算后輸出控制信號給介質泵電機，從而使得旋流器入口壓力穩定在較佳值范圍內。又因為介質本身具有磨料性質，在滿足流量與揚程的前提下，泵的轉速越低越好，大大降低了泵工作的機械強度和磨損。
2.2介質泵的調節
對旋流器來說，隨著入料性質不同或產品質量的變化，需要對分選密度進行適當調節。除了直接調節介質的密度外，通過旋流器入料壓力的調節也可對實際分選密度在一定范圍內進行微調，即旋流器的工作壓力需要一定的調節范圍。選型時一般按其工作壓力的上限與布置標高綜合考慮。運行過程中，當指標發生變化時，泵的流量和揚程滿足不了旋流器的正常要求，就需要通過適當的調整，改變泵實際運行的工況點。通常通過改變閥門的開度改變泵的工況點，達到改變流量與揚程的目的。閥門調節有以下弊端：⑴ 節流損失的能耗大，閥門磨損嚴重，雖然初期投資小，但后期維修量大；⑵閥門調節精度低且勞動強度大；⑶泵全速運行，磨損嚴重，壽命縮短。
2.3介質泵的變頻調速
泵的特點是當轉速在20% 范圍內變化時，泵的效率基本不發生變化。泵的流量Q與轉速n 的一次方成正比，揚程H 與轉速n 的平方成正比，而軸輸出功率P與轉速n 的立方成正比。變頻調速就是通過改變電機的輸入頻率來實現對電機的無級調速。介質泵的變頻調速就是壓力變送器檢測旋流器的入料壓力反饋給控制系統，控制系統來調控變頻器輸出頻率，從而改變介質泵電機的轉速，改變泵的流量與揚程，達到節能的目的。
3現場設備參數
洗煤廠介質泵電動機參數如下：型號YKK5005-10，額定功率315kW，額定電壓10kV，額定電流26.3A，額定頻率50Hz，功率因數0.75，接法Y，防護等級IP54，工作制S1，旋轉速度595r/min。
介質泵參數：型號：300ZJ-1-A90 ，揚程48m，流量1000m3/h ，軸功率237.6kW，必需汽濁余量3.9m，配用功率315kW，效率77%。
4風光JD-BP38系列高壓變頻調速系統介紹
風光牌JD-BP38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、功率單元串聯多電平技術，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熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。焦化洗煤廠介質泵變頻改造選用的新風光生產的JD-BP38-355F（355kW/10kV）高壓變頻器。
5變頻控制原理
為降低企業生產成本，并滿足生產工藝的需求，提高分選精度，洗煤廠對介質泵進行變頻改造。此次改造在保持原有供電的基礎上，增設了變頻控制柜。對旋流器的入料壓力實行自動控制，介質泵變頻控制系統由風光高壓變頻器、PLC、壓力變送器、氣動閥門、電磁閥及其他輔助設備組成。
分別在介質泵的進出口處安裝靠電磁閥控制的氣動閥門，在旋流器入料總管上和介質泵出口管處安裝一臺壓力變送器，均能輸出4~20mA的模擬量信號至DCS集控室。
生產時，DCS集控室控制電磁閥（分別打開出口氣動閥門與進口氣動閥門）和介質泵電機； DCS集控室采集旋流器入料總管上壓力變送器來的信號，經過PID調節，改變變頻器的輸出頻率，調節介質泵電機的實際轉速，從而控制入料量，達到穩定入料壓力的目的，使入料壓力始終穩定在允許的壓力范圍內，從而實現自動調節入料壓力的功能。介質泵出口管處安裝的壓力變送器的作用是，一旦泵由于某種原因出現堵塞，管道壓力必定超過正常范圍，其壓力信號傳至集控室，則DCS會判斷故障、停車并報警。
根據要求加裝旁路以方便變頻/工頻的切換。變/工頻切換：當電機在變頻運行狀態時，變頻器出現跳閘，變頻器退出運行，介質泵電機切換至工頻運行。此功能在變頻器故障或外部負荷突變引起變頻器跳閘時，將介質泵切換至工頻運行以保證不影響生產。工/變頻切換：當變頻器故障解除，或者介質泵需要從工頻運行切換到變頻運行時，可通過變頻投入按鈕或DCS控制命令將介質泵投入變頻運行，且變頻器頻率調節可實現變頻本體、就地箱及DCS遠程多重控制，變頻器即可閉環運行，也可開環控制。
6變頻改造主回路
為防止變頻器檢修或故障對生產的影響，本次采用的JD-BP38-355F型高壓變頻器采用“一拖一”控制方式，配置手動工頻旁路，主回路接線如圖1所示：
手動旁路中，共有3個高壓隔離開關K1、K2、K3，當K1、K2閉合，K3斷開時，10kV電源經隔離刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經K2送至電動機，電動機變頻運行；一旦變頻裝置出現故障，可斷開隔離刀閘K1、K2，合上K3，在工頻電源下啟動電機運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。隔離刀閘K1、K2、K3之間具有閉鎖和防止誤操作功能。
高壓變頻器和上級進線開關柜設置連鎖，當上級進線開關柜斷路器處于合閘位置時，絕不允許操作變頻器旁路高壓隔離開關，以防出現拉弧現象，確保操作的安全性，當出現嚴重的故障時，及時跳開上級開關柜斷路器保護高壓變頻器和電機。
利用原有DCS控制系統的預留點，將高壓變頻器有關信號接入原有DCS控制系統，實現了遠方/就地控制功能。當高壓變頻器出現故障時，將故障信息發送給DCS，以便于及時排除故障。
7介質泵變頻改造效果
洗煤廠介質泵變頻改造后，設備運行平穩可靠，既滿足了生產需要，提高了分選精度，又達到了節能降耗的目的。總的來說，介質泵變頻改造后有以下好處：
（1）介質泵電機實現了真正的軟啟動、軟停止，減少了對電網的沖擊，而且啟停非常方便。改造前，因電機功率大，啟、停操作非常不方便，影響廠區其他設備運轉。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流遠小于額定電流，對電網無大的沖擊，啟動更平滑。
（2）實現了旋流器入料壓力自動調節。變頻器與DCS系統完美結合，變頻器通過RS485和RS232接口與DCS系統通訊，并通過DCS實時監控介質泵工作情況。DCS負責采集各模擬量、開關量等信號，包括變頻器輸入、輸出的模擬量、開關量信號全部進入DCS系統，接受DCS控制，同時實現相關聯鎖功能等。
（3）降低了現場操作工的勞動強度。經變頻改造后，可以實現對介質泵的遠方控制，現在閥門全開，DCS根據生產工藝的需要，實時調節介質泵轉速來滿足生產需要，減輕了工人的工作量。
（4）延長了電機和介質泵的使用壽命。由于介質泵輸送的是密度相對較高的懸浮液，對泵有較強的磨損作用。進行變頻改造后，泵的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而降低了泵的工作機械強度和磨損，大大延長泵和電機的使用壽命。
（5）有效地改善了現場運行環境。由于電機以及介質泵轉速下降，大大降低了設備噪聲污染，深受現場操作人員歡迎。
（6）節能效果顯著。目前旋流器入料壓力控制在0.23MPa，滿足生產正常工作需要，變頻器工作頻率為42.8Hz，電機電流16A，在同樣工況下，比工頻運行電流25.6A減少了9.6A。
8結束語
在洗煤廠介質泵上應用變頻調速技術，不僅解決了生產工藝中存在的問題，而且降低了生產成本，提高了分級效果，取得了良好的經濟效益和社會效益。隨著我國“十二五”對節能減排工作的日益重視，變頻器用于驅動風機、泵類等設備節電效果顯著，而且性能穩定、可靠性高。它在工業上應用日益廣泛。
