產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在銅礦砂漿泵上的應(yīng)用
1 引言
琿春紫金礦業(yè)有限公司系紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司（A股和H股兩地上市公司）的全資子公司，經(jīng)過幾年來的迅猛發(fā)展，琿春紫金礦業(yè)已經(jīng)成為紫金礦業(yè)集團(tuán)的重要利潤增長點。2015年營業(yè)額10億左右。該礦有三條礦石處理生產(chǎn)線，1條9500t，1條4500t，1條10000t，日處理礦石20000t左右。
砂泵站的配置是2臺355kW泵組，2臺450kW泵組合計四組礦砂泵（1個機(jī)組2臺電機(jī)，共計8臺電機(jī)），2用2備用。砂泵站的主要目的是將浮選以后的礦漿排到山上的礦漿池，經(jīng)過沉淀以后清水再流下來循環(huán)利用，保護(hù)環(huán)境。管道長500m左右，上下落差100m左右。由于砂漿比較重，距離比較遠(yuǎn)，因此單臺水泵的揚(yáng)程沒辦法滿足需求，所以現(xiàn)場每一組泵都是2臺相同功率的2臺砂漿泵串聯(lián)。直接連接砂漿池的是前端泵，連接管道直通上山的是后端泵。前端泵為工頻泵，水阻柜啟動，后端泵用液力耦合器調(diào)速控制流量,啟動也是用水阻柜。2臺電機(jī)直接和水阻柜連接，軟啟動減少沖擊。
2 改造的必要性
液力耦合器在現(xiàn)場使用過程中，有以下問題：第一，電機(jī)啟動困難，因為砂漿比較重或是砂漿沉淀，造成電機(jī)過載保護(hù)，有時需要3~4次才能徹底啟動起來；第二，液力耦合器故障率高，維護(hù)保養(yǎng)費用比較高；第三，液力耦合器調(diào)速裝置損壞，無法實現(xiàn)調(diào)速控制，人工操作調(diào)速非常麻煩。該公司領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過多方考察，比較液力耦合器調(diào)速與高壓變頻調(diào)速2種高壓電機(jī)調(diào)速方式，認(rèn)為：
（1）高壓變頻器調(diào)速范圍為0-100%，全速度段調(diào)速，而液力耦合器的調(diào)速范圍一般為40-95%，而液力耦合器目前已經(jīng)不能調(diào)速。
（2）高壓變頻器在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率（大于96%），而液力耦合器在調(diào)速越低時效率越低，本身帶來不小的損耗，調(diào)速的節(jié)能效果大打折扣。
（3）高壓變頻器對電機(jī)及負(fù)載機(jī)械實現(xiàn)真正的軟啟動，如果工藝需要，電機(jī)可以在短時間內(nèi)多次重復(fù)啟動，液力耦合器不能解決電機(jī)啟動問題，啟動困難，并且不能頻繁啟動。
（4）高壓變頻器是高科技產(chǎn)品，可靠性高，基本免維護(hù)，萬一變頻器故障，電機(jī)還可以直接掛電網(wǎng)工頻運(yùn)行，不會造成生產(chǎn)損失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系統(tǒng)，故障率高，液力耦合器一旦發(fā)生故障，負(fù)載機(jī)械將無法運(yùn)行，只能停機(jī)維修。維修工作量大，造成有效工作時間的縮短。
所以變頻調(diào)速技術(shù)各方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液力耦合器調(diào)速，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場狀況，變頻調(diào)速優(yōu)于其他調(diào)速技術(shù)，還有變頻改造已非常普遍，技術(shù)非常成熟。該礦經(jīng)過招標(biāo)方式，1#砂漿泵機(jī)組高壓變頻設(shè)備選取新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-500F型（500kW/10kV）高壓變頻器對砂漿泵站電機(jī)進(jìn)行改造，2015年6月15日變頻器一次性投入使用，至今運(yùn)行正常，改造取得了成功。本文對風(fēng)光牌JD-BP38-500F型高壓變頻器在砂泵站1#砂漿泵的改造情況進(jìn)行簡要介紹。
3現(xiàn)場1#砂漿泵及電機(jī)參數(shù)
3.1電機(jī)參數(shù)如表1所示。
表1 電機(jī)參數(shù)
3.2砂漿泵參數(shù)如表2所示。
表2 渣漿泵參數(shù)
4 風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)特點
新風(fēng)光電子公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度傳感器矢量控制技術(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IEEE519-1992的諧波標(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)。
4.1 JD-BP38-500F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)
JD-BP38-500F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)如表3所示。
表3 JD-BP38-500F 高壓變頻器主要技術(shù)指標(biāo)
4.2 JD-BP38-500F高壓變頻器技術(shù)特點
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：
(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：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(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。
5改造系統(tǒng)方案介紹
該礦領(lǐng)導(dǎo)在1#砂漿泵改造中，在處理液力偶合器的問題上，考慮到該設(shè)備故障率高，決定拆除液力耦合器，將電機(jī)前移與泵直接連接。變頻器接入原高壓開關(guān)和擬改造電機(jī)之間，變頻器控制接入原有的DCS系統(tǒng)。為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置，1#砂漿泵現(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，實現(xiàn)1#砂漿泵在工頻或變頻運(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。
6恒液位控制系統(tǒng)原理、PID設(shè)定
由于該公司需要對礦漿池液位進(jìn)行控制，因此采用恒液位閉環(huán)控制，其工作原理框圖如附圖所示，測量元件為超聲波液位計，將它安裝在礦漿池，Vi為需設(shè)定液位值，超聲波液位計測量液位V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器通過采集液位計測量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。
附圖 恒液位閉環(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0.35。
（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10.0。
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，完全可以滿足恒液位閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制要求，不需要設(shè)定微分參數(shù)。
7 變頻器調(diào)試及運(yùn)行情況
7.1調(diào)試情況
在調(diào)試過程中，要注意以下事項：
（1）高壓變頻器改造控制的是后端泵，后端泵由前端泵是工頻啟動被帶著轉(zhuǎn)動。因此后端泵使用變頻器啟動時需要使用飛車啟動模式。
（2）停機(jī)的時候由于礦漿后座容易帶著水泵反轉(zhuǎn)，停機(jī)模式設(shè)為自由停車。
（3）該1#砂漿泵變頻改造后，頻率一般運(yùn)行在38Hz-48Hz之間。通過測試發(fā)現(xiàn)變頻器運(yùn)行在38Hz以下打不出礦漿，所以我們把最低頻率限制在38Hz。
7.2運(yùn)行情況
1#砂漿泵變頻節(jié)電改造后，2015年6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：實施變頻改造后，砂漿泵總用電量有明顯下降，設(shè)備實現(xiàn)了軟起動，改善了設(shè)備的運(yùn)行工況，極大地減輕了砂漿泵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，在相同產(chǎn)量下，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，1#砂漿泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表4所示。
表4 1#砂漿泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)
改造后，1#砂漿泵的節(jié)電率為：（320.3-256.3）/320.3=20.0%，該砂漿泵年運(yùn)行時間按300天，每天運(yùn)行24h。按0.5元/kW? h計算，年節(jié)省電費：
（320.3-256.3）kW×24h×300d×0.5元/ kW? h =230400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，泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速大大低于泵的額定轉(zhuǎn)速。由于泵啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，減少了泵的零部件密封、軸承的磨損，相應(yīng)地延長了泵的壽命。
（2）工作強(qiáng)度降低。改造后采用恒液位控制，就不用調(diào)節(jié)出口閥，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣印⒈O(jiān)控，完全實現(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；便于實現(xiàn)泵機(jī)組控制系統(tǒng)自動化管理。
8 結(jié)束語
琿春紫金礦業(yè)有限公司1#砂漿泵變頻器正式投產(chǎn)以來，不僅節(jié)約了大量電能，降低了運(yùn)行成本；而且提高了工作運(yùn)行時間，為礦業(yè)公司正常生產(chǎn)提供了強(qiáng)有利的保障。在后續(xù)的設(shè)備改造中，又采購了新風(fēng)光的2臺高壓變頻器。隨著國家目前對節(jié)能減排工作力度空前加大，市場競爭的加劇，企業(yè)通過各種方式降本增效，其中變頻調(diào)速技術(shù)起到了重要的作用，變頻調(diào)速已迎來成熟發(fā)展時期。
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