產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在羅茨鼓風機中的應用
1引言
變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果，改善設備的運行工況，提高系統的安全可靠性，延長設備使用壽命等優點，成為現代電力傳動技術的一個發展方向。而通過調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象的方法，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。隨著當今社會市場競爭不斷加劇，采用變頻調速技術對這類負載進行改造，成為社會的潮流。
2用戶現場設備介紹
山西某煤化公司是一家集煤炭深加工及發電為一體的綜合性公司，其下屬焦化公司有一條年產60萬噸焦炭的煉焦生產線，其主要產出為焦炭、焦油及煤氣。煤氣主要供給后面的電廠發電用。在焦化公司與電廠之間傳輸煤氣用的兩臺煤氣加壓機，其主要功能是把焦化公司的焦爐產出的煤氣經過風機吸收后，經過加壓、通過管道輸送給電廠鍋爐作為燃氣發電。煤氣加壓機前級為焦捕柜，焦化爐產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，該設備為煤氣加壓系統中并聯使用，正常情況下一用一備。煤氣加壓機選用的風機為羅茨風機，羅茨風機相比于離心風機有兩個主要特點：（1）啟動時進風門和出風門必須完全打開，（2）進風口進入羅茨風機的氣體必須完全打出去。其生產流程圖如圖1所示。
圖1 焦化廠生產流程圖
這兩臺煤氣加壓機的具體參數如表1所示。
表1 A、B煤氣加壓機 | |||
電機參數 | |||
負載名稱 | 煤氣加壓機 | 所帶負載類型 | 羅茨風機 |
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 | 0.8 |
額定轉速(rpm) | 594 | 絕緣等級 | F |
風機參數 | |||
型號 | ARMH750M | 升壓（kPa） | 13 |
額定風量（m3/nin） | 740 | 額定轉速(rpm) | 590 |
額定功率(kW) | 280 | 出廠編號 | 12645 |
該設備由于輸送的是煤氣，煤氣中不可避免的含有一些焦油。羅茨風機由于長期運行以后粘附有很多焦油，增加了設備的阻力。另外羅茨風機為風門全開的情況下啟動，而且焦油在較冷的情況下阻力更大，所以羅茨風機為典型的重載啟動負載。
原系統6kV高壓斷路器直接送到電機，沒有其他軟起設備，高壓電機與羅茨風機直接用靠背輪連接。該設備由于是重載啟動，并且焦油冷態時阻力很大，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機打高溫蒸汽加熱。另外直接啟動有可能影響羅茨風機內部氣隙。由于羅茨風機選型偏大，電廠往往不需要羅茨風機滿負荷運轉，這樣風機只好打開回流閥，造成風機運行效率低下，浪費嚴重，廠領導為了提高煤氣加壓機的運行效率，經研究決定改造該設備，增加兩套高壓變頻器，采用壓力閉環控制。
經過多方考察，通過招標方式，廠領導決定采用新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP37-315F（315 kW /6kV）高壓變頻器2套作為羅茨風機的改造設備，改造取得了成功。
3風光公司JD-BP37-315F高壓變頻調速系統介紹
3.1JD-BP37-315F高壓變頻器技術指標
JD-BP37-315F高壓變頻器技術指標如表2所示。
表2 JD-BP37-315F 高壓變頻器主要技術指標 | |||
變頻器容量（kW） | 400 | 模擬量輸入 | 0～5V/4～20mA，任意設定 |
適配電機功率（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 | 開關量輸入輸出 | 可按用戶要求擴展 |
額定輸入電壓（V） | 6000V（－20%～+15%） | 運行環境溫度 | -10～40℃ |
輸入功率因數 | >0.97（>20%負載） | 貯存/運輸溫度 | -20～70℃ |
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） | 0～120 | 環境濕度 | <90%，無凝結 |
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，150%允許1min，180%立即保護 | 防護等級 | IP20 |
3.2 JD-BP37-315F高壓變頻器技術特點
風光牌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、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IEEE519-1992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。具體來說，風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，啟動轉矩大，轉矩動態響應快，調速精度高，帶負載能力強，提高了設備運行的平穩性；
(2)振蕩抑制技術，采用優越的電流算法，有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統穩定可靠的工作；
(3)快速飛車啟動技術，特別適用于變頻保護后的重新啟動，可實現變頻器在0.1s之內從保護狀態復位重新帶載運行；
(4)電網瞬時掉電重啟技術，電網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，檢測到單元故障后，可在100us之內將單元旁路，執行星點漂移技術，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，該技術可滿足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動的需要；可以實現大容量電機雙向無擾動投切，能有效保證生產的正常進行；
(7)輸出電壓自動穩壓技術，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據母線電壓調整輸出電壓，從而實現自動穩壓功能；
(8)故障單元熱復位技術，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機；
(9)多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協議，頻率設定可以現場給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能；
(10)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，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現對功率單元運行狀況的全面把握；
(11)單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍；
(12)具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生；
(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，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載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數；
(14)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電流保護時，可自動復位，繼續運行。
4變頻改造控制方案
為了充分保證煤氣加壓系統的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置，兩臺煤氣加壓機現有的控制設備和運行方式仍將保留，控制回路上設計工頻/變頻運行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實現兩臺煤氣加壓機在工頻或變頻運行。
通過目前已有的DCS系統可顯示變頻器的運行數據和當前狀態，實時監控系統運行。操作方面，有遠程控制和本地控制2種控制的方式，這2種控制方式可提高系統的安全性能。變頻器內置PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(如RS-485)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。
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，高壓變頻器設備安裝在風機值班室內，原高壓柜至電機的高壓電纜用做改造時電機至變頻器連接電纜，變頻器至高壓柜電纜重新敷設，同時敷設集控室至高壓變頻器的控制電纜用于變頻器的遠程控制，采集現場設備狀態信號，實現設備的控制調節及信號反饋。此外還需敷設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，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構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，A煤氣加壓機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，A煤氣加壓機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
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與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將1#變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當1#變頻器出現故障時，分斷1#變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
6壓力閉環控制系統原理、PID設定
由于該公司需要對煤氣壓力進行控制，因此采用壓力閉環控制，其工作原理框圖如圖3所示，測量元件為壓力傳感器，將它安裝在羅茨風機出氣口的官道上，Vi為需設定壓力值，壓力傳感器測量壓力V作為輸出量，構成閉環控制系統。變頻器通過采集測量V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過內置PID進行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到給定液位的給定值Vi。
圖3 壓力閉環控制原理框圖
（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0.5。
（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閉環系統超調加大。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15.0。
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結構功能選擇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控制系統的控制要求，不需要設定微分參數。
7生產工藝參數調整
原系統改為變頻調速系統以后，有一些問題需要重新設定。如：放散閥的壓力設定，未改造前的原工頻運行，放散閥的壓力為5kPa，也就是當羅茨風機后級的氣壓達到5kPa以上時，才開啟放散閥，排泄出多余的煤氣。由于羅茨風機的工作特點，必須把進風閥門進入的氣體完全打出去，當后級的氣壓較高時，羅茨風機負荷較重，電機電流已經超過額定值較多，變頻器控制方式采用矢量控制，下限頻率設定為20Hz。經過與客戶溝通后，正常煤氣加壓壓力為3kPa左右，基本滿足正常生產需要。這樣煤氣加壓系統可以進一步降低消耗。
8變頻器運行情況
A、B煤氣加壓機變頻節電改造后，2015年7月中旬，正式投入生產，至今運行正常。系統達到了預期的效果：實施變頻改造后，煤氣加壓站總用電量有明顯下降，設備實現了軟起動，改善了設備的運行工況，極大地減輕了羅茨風機起動時對供配電系統的沖擊。
為了對比變頻改造節能情況，對工頻、變頻相應的運行數據進行了一周統計，以A煤氣加壓機的運行數據如表3所示。
表3 A煤氣加壓機的運行數據 | ||||
調節方式 | 平均輸入電流（A) | 控制方式 | 電機平均功率（kW) | |
改造前 | 放風閥 | 25 | 手動、閥門調節 | 209.3 |
改造后 | 變頻調速 | 14.1 | 自動、恒液位 | 145.99 |
改造后，A煤氣加壓機的節電率為：（209.30-145.99）/209.30=30.25%，該設備年運行時間300天，每天運行24h。按0.51元/kW? h計算，年節省電費：
（209.30-145.99）kW×24h×300d×0.51元/ kW? h =232474.6元。
除了節能效果顯著外，還具有以下效果：
（1）維護量減少。采用變頻調速后，大部分時間里，羅茨風機的運行轉速大大低于額定轉速。由于加壓機啟動緩慢及轉速的降低，減少了風機的零部件密封、軸承的磨損，相應地延長了風機的壽命。
（2）工作強度降低。改造后采用壓力閉環控制，就不用調節放風閥，操作工作由手動轉變為自動、監控，完全實現生產的無人操作，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；便于實現煤氣加壓站機組控制系統自動化管理。
9 結束語
經過變頻改造后，煤氣加壓機實現軟起軟停，不僅大大降低了工作人員的勞動強度，而且使整個工藝流程更穩定，達到了較好的節能效果。隨著國家對節能減排工作的越來越重視，企業通過各種措施降低生產成本，其中變頻技術起到了關鍵作用，取得了明顯的經濟效益和社會效益，適應了國家建設資源節約型社會的潮流。
