產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在活塞式空壓機上的應用
1用戶介紹
江西宏宇能源發展有限公司是湖南省第二大民營企業——湖南五江集團在江西樟樹市省級鹽化工基地投資興辦的產值超百億的集新能源、新材料、鹽化工、煤化工于一體的新型工業化循環經濟企業。該公司現有玻璃公司、深加工公司、焦化公司三個分公司。
焦化公司生產焦炭、煤焦油、粗苯、煤氣、硫銨、硫磺等，年產搗固焦130萬噸。玻璃公司生產超白太陽能玻璃、浮法玻璃、低輻射鍍膜玻璃、可鋼low-e鍍膜玻璃（離線）、鋼化玻璃、中空玻璃。深加工公司利用一次成型的平板玻璃（浮法玻璃、普通引上平板玻璃、平拉玻璃、壓延玻璃）為基本原料，根據使用要求，采用不同的加工工藝制成的具有特定功能的玻璃產品。
焦化公司在搗固煉焦中產生的焦爐廢氣，經脫焦、脫硫、脫苯處理后，煤氣通過空壓機站加壓后供給玻璃公司生產需要。煤氣壓縮機供氣站有4臺活塞式壓縮機，適配電機規格型號630kW/10kV，額定電流為52.1A，采用2用2備制。根據玻璃生產工藝需要，煤氣的壓力需控制在一定范圍內，由于玻璃生產中用氣量負荷有變化，用氣量和壓縮機的排氣量之間很難達到完全平衡，平常一般采用人工調節回流閥控制壓力大小，采用這種方法很難保證所需要壓力的穩定。如果生產用氣負荷小時需打開回流閥，使氣體反復壓縮，運行效率低，浪費大量電能。因此，為了降低成本，對活塞式壓縮機系統進行變頻技術改造是非常有必要的。
公司領導通過綜合調研和考慮，選用了新風光電子公司JD-BP38-800F（800kW/10kV）型號的高壓變頻器2臺，對空氣壓縮機進行節能改造，改造達到了預期目的。
2高壓變頻器技術改造方案
煤氣加壓機是玻璃生產系統的動力中樞，一旦煤氣加壓機不能正常運行，直接影響玻璃公司生產的正常進行；另外，調速系統工作的環境比較惡劣；所以，和煤氣加壓機配套的高壓調速系統方案應周密細致，經過雙方技術人員的合作，制定了煤氣加壓機的技術改造方案。
2.1 設備配置
煤氣加壓機系統有1#、2#、3#、4#壓縮機，高壓變頻器采用“一拖二”控制，配備手動旁路柜。1#、2#壓縮機共用1#高壓變頻器，3#、4#壓縮機共用2#高壓變頻器，以1#、2#壓縮機共用1#高壓變頻器為例說明控制過程，其系統接線圖路如圖1所示，通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的壓縮機上去。1#高壓變頻器可拖動1#壓縮機變頻運行，也可通過切換拖動2#壓縮機變頻運行。兩壓縮機電動機均具備工頻旁路功能。
圖1高壓變頻一次系統接線圖
QF1和QF2分別為現場1#和2#壓縮機電源高壓斷路器；
QS11和QS21分別為1#、2#壓縮機電源高壓隔離開關；
QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關；
高壓變頻器旁路開關柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關，變頻器運行時，要求QS11和QS21同時閉合。QS12閉合，QS22斷開，QS13斷開，1#壓縮機變頻運行；QS12斷開，QS13閉合，1#壓縮機工頻運行；QS22閉合，QS12斷開，QS23斷開，2#壓縮機變頻運行；QS22斷開，QS23閉合，2#壓縮機工頻運行；其中，QS12與QS13、QS22實現電氣互鎖，QS22與QS23、QS12實現電氣互鎖；將控制柜“遠控/本控”開關打至“遠控”位置，將相應壓縮機斷路器“就地/遠方”開關打至“遠方”位置，可實現壓縮機的遠控操作。
2.2 壓力閉環系統原理、PID設定
由于玻璃生產系統對供氣負荷需要在實際運行時進行實時調整，因此采用的是壓力閉環控制，其工作原理如圖2所示，測量元件為壓力傳感器，將它設在煤氣壓力儲氣罐上，Vi為煤氣需要恒壓設定值，供氣壓力V作為輸出量，構成閉環控制系統。變頻器內部的PLC采集供氣壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過PID進行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到供氣壓力的給定值Vi。不管系統供氣流量如何變化，供氣壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
圖2壓力閉環供氣原理框圖
（1）在PID控制中，P系數加大，可以加快調節速度。但如果過大，系統容易因超調而震蕩。若P太小，又會使系統的動作緩慢。P可正可負。如果比例系數為正，那么該回路為正作用回路；如果比例系數為負，那么該回路為反作用回路。本變頻器P設定為0.30。
（2）積分I的作用主要是消除系統的靜態誤差。但過強的積分作用使供氣系統超調加大。所以在調節過程初期，應減弱積分作用，防止產生積分飽和現象；而到過程后期，應適當增強積分作用，以提高控制精度。本變頻器I設定為5.0。
風光高壓變頻器內置PID功能，其中PID 結構參數具有以下選擇方式：
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參數PID結構選擇2，比例+積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用，完全可以滿足供氣系統的供氣壓力恒定要求，不需要設定微分參數。
3風光牌JD-BP38-800F高壓變頻器技術參數
新風光公司是國家高新技術企業，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、功率單元串聯多電平技術，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準，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。
風光牌高壓變頻器為高--高電壓源型模式，由移相變壓器，功率單元和控制器組成。JD-BP38-800F高壓變頻器采用48脈沖整流，功率單元每相采用7個功率單元串接組成，三相共21個單元；輸出相電壓為15電平，輸出線電壓29電平，功率單元旁路單元采用可控硅作為旁路器件。控制器部分以高速微處理器實現控制以及與子微處理器間進行通信。風光高壓變頻器采用模塊化設計，互換性好、維修簡單。JD-BP38-800F高壓變頻器主要技術參數如表1所示。
表1JD-BP38-800F高壓變頻器主要技術參數 | |||
變頻器容量（kVA） | 1000 | 模擬量輸入 | 0～5V/4～20mA，任意設定 |
適配電機功率（kW） | 800 | 模擬量輸出 | 兩路0～5V/4～20mA可選 |
額定輸出電流（A） | 57.7 | 加減速時間 | 1—32000S |
輸入頻率（Hz） | 45～55 | 開關量輸入輸出 | 可按用戶要求擴展 |
額定輸入電壓（V） | 10000V（－20%—+15%） | 運行環境溫度 | 0～40度 |
輸入功率因數 | >0.96（>20%負載） | 貯存/運輸溫度 | -20～70度 |
變頻器效率 | 額定負載下>0.98 | 冷卻方式 | 強迫風冷 |
輸出頻率范圍（Hz） | 0～80 | 環境濕度 | <90%，無凝結 |
輸出變頻分辨率（Hz） | 0.01 | 開關頻率(kHz) | 可設定 |
過載能力 | 105%連續， 150%允許1分鐘 | 防護等級 | IP30 |
4變頻器調試情況
4.1現場調試
現場風機負載為活塞式煤氣壓縮機，現場有4臺電機，2用2備，未采用變頻時，2臺工頻同時運行，通過管道并入一主管道，主管道壓力變送器楊程為:0-200Kpa，平時工作壓力為160Kpa。當超過220Kpa時，一臺電機跳閘，現場通過手動復位再開啟。平時通過空壓機的旁路來卸壓。
采用變頻時，采用一臺工頻一臺變頻運行，變頻器為壓力閉環控制，壓力為儲氣罐的壓力。變頻器啟動時，另外一臺工頻是正常運行的。變頻器是帶載啟動，啟動方式選擇VF曲線方式，此時變頻器報硬件過流。把變頻器所帶負載旁路打開，輸出閥門關閉，開機正常，頻率到27Hz時電流最大為52A左右。運行到50Hz，把負載旁路關閉，輸出閥門打開。當給定的壓力超過設定值時，變頻器降頻，到31Hz左右時變頻器報軟件過流，故障時觸摸屏顯示輸出電流為55A左右。降到31Hz保護時，壓力沒有降下來，試驗多次均為同一現象。把下限頻率設為35Hz，把工頻運行的旁路打開30%左右卸壓，變頻器能在35Hz到50Hz之間運行，壓力也能在正常范圍。35Hz時電流為52A左右，50Hz時為電流為47A左右。
根據生產要求，高壓變頻器要能帶載啟動，高壓變頻器要求能在25Hz到50Hz之間正常運行，實現壓力閉環控制。
4.2問題解決
活塞往復式空氣壓縮機負載比較特殊，低頻啟動及運行均不易穩定，尤其是帶壓啟動困難，現場設定普通VF方式難以適應壓縮機帶載啟動，壓縮機啟動需要大啟動力矩。經分析討論，認為需使用矢量控制方式，解決啟動問題。于是，設置變頻器功能參數為矢量控制使能開啟模式，首先將電機負載脫開，進行在空載情況下進行矢量辨識。
得到的參數辨識如表2所示。
表2 參數辨識表 | |||||
定在電阻 | 轉子電阻 | 漏感 | 互感 | 空載電流 | |
一次辨識 | 1.893Ω | 5.162Ω | 0.0527H | 0.7687H | 22.36A |
二次辨識 | 1.902Ω | 5.157Ω | 0.0527H | 0.7674H | 22.40A |
實際使用值 | 1.700Ω | 3.35Ω | 0.0527H | 0.7675H | 24.00A |
參數辨識完畢后按照上表進行填寫電機參數，然后使用矢量控制進行運行空電機，電機運行正常。將循環閥門全開，變頻器運行，相當于具有很小的負載運行。運行電流29A。運行正常，電流存在周期性波動，和現場的往復機械運動的周期有關。
現場正常運行壓力為160kpa，變頻器開機運行到48Hz，現場人員調整壓力至210-220kpa，輸出電流47.3A，運行穩定。調整頻率至20Hz，運行穩定，輸出電流為46.9A。雖然壓縮機啟動電流波動大，現場帶載可以正常啟動正常。矢量控制可以提供足夠的力矩啟動負載。采用無感矢量控制解決了現場帶載啟動難題，滿足了25Hz到50Hz之間可以正常運行的需求，實現了煤氣壓力閉環自動控制。
5變頻器運行情況
為了不影響玻璃正常生產，利用玻璃廠生產間隙，對煤氣加壓機進行了變頻改造。2016年11月初，正式投入生產，至今運行正常，改造達到了預期的效果，實施變頻改造后，煤氣加壓機電機電流明顯下降，煤氣加壓機實現了軟起動，極大地減輕了設備起動時對供配電系統的沖擊。
5.1節電效果
以1#高壓變頻器拖動1#煤氣加壓機運行，同時運行3#煤氣加壓機工頻為例，記錄1#變頻器運行數據如表3所示。
表3 1#高壓變頻器運行數據統計 | ||||||
運行時間 | 運行壓力 | 運行頻率Hz | 輸入電流A | 輸出電流A | 輸入電壓V | 輸出電壓 |
5：30-9：30 | 0.16MPa | 34.33 | 25.40 | 45.3 | 10.4 | 6.93 |
9：30-16：30 | 0.16MPa | 35.74 | 26.44 | 45.7 | 10.4 | 7.22 |
16：30- 22：30 | 0.16MPa | 35.86 | 26.53 | 45.7 | 10.4 | 7.24 |
22：30-5：30 | 0.16 MPa | 36 | 26.64 | 45.8 | 10.4 | 7.27 |
通過上表可以看出，變頻器改造后，煤氣加壓機電流大大減小。經過廠能源利用監測中心測試，節電率達28.29%。
5.2其他效果
（1）維護量減少。采用變頻調速后，大部分時間里，煤氣加壓機的運行轉速大大低于額定轉速。由于煤氣加壓機啟動緩慢及轉速的降低，減少了煤氣加壓機的零部件密封、軸承的磨損，相應地延長了煤氣加壓機的壽命。
（2）工作強度降低。采用變頻調速壓力閉環調節就不用調節回流閥，操作工作由動手轉變為自動、監控，大大減輕了工人的勞動強度。
（3）現場噪音大大降低，有效改善現場的運行環境，運行人員反映良好；便于實現煤氣加壓機控制系統自動化管理。
6 結束語
綜合看來，江西宏宇能源發展有限公司煤氣加壓機采用新風光公司高壓變頻器進行改造，大大提高煤氣加壓機系統的運行效率，降低了玻璃的生產成本，對保證煤氣加壓系統的安全正常運行起著重要的作用。
