產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
少用電 用好電 再生電 存儲(chǔ)電 防爆電
解決方案
高壓變頻器在尾氣制酸行業(yè)的應(yīng)用
引言
吐魯番工企礦冶有限公司銅冶煉廠，是新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)較大的國有企業(yè)，由于國家對(duì)銅冶煉尾氣處理的要求越來越高，公司領(lǐng)導(dǎo)在綜合考慮各方面的因素后，認(rèn)為單純處理尾氣，還不如變廢為寶，將尾氣凈化處理后，將其中的SO2轉(zhuǎn)變成硫酸，這樣即處理了尾氣，達(dá)到國家尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，又派生出新產(chǎn)品硫酸，可以獲得新的經(jīng)濟(jì)效益，一舉兩得，是這次設(shè)備改造及尾氣處理的雙重收益。
1項(xiàng)目概況
1.1項(xiàng)目名稱：9萬噸/年煙氣制酸
9萬噸/年煙氣制酸項(xiàng)目是將冶煉廠排放的煙氣，通過凈化處理后，采用國內(nèi)外先進(jìn)成熟的冶煉煙氣制酸技術(shù)和設(shè)備，使原先超標(biāo)排放的SO2煙氣得以回收利用，生產(chǎn)出符合市場(chǎng)需求的優(yōu)質(zhì)工業(yè)硫酸，從而尾氣達(dá)標(biāo)排放。
項(xiàng)目嚴(yán)格執(zhí)行國家有關(guān)方針政策和各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)程、規(guī)范，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用美國孟山都公司動(dòng)力波洗滌器和托普掌公司生產(chǎn)的觸煤等國內(nèi)外先進(jìn)可靠的核心技術(shù)和設(shè)備，全廠采用DCS集中控制系統(tǒng)，項(xiàng)目完成后，系統(tǒng)整體技術(shù)設(shè)備達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。
1.2項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模：制酸規(guī)模和冶煉規(guī)模相配套，設(shè)計(jì)規(guī)模為9萬噸/年。
1.3投資及收益
項(xiàng)目計(jì)劃總投資7000萬元，資金來源企業(yè)自籌和專項(xiàng)資金的支持，投產(chǎn)后年均利稅總額為1000萬元。
1.4產(chǎn)品及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：
主要產(chǎn)品為98%
H2SO4,質(zhì)量符合工業(yè)硫酸國家標(biāo)準(zhǔn)GBT34-2002一等品標(biāo)準(zhǔn)。
1.5節(jié)能指標(biāo)：
單位產(chǎn)品電耗98KW·h/t 98%
H2SO4以下，遠(yuǎn)低于199 KW·h/t100%
H2SO4的生產(chǎn)指標(biāo)，合理采用循環(huán)水系統(tǒng)，使本項(xiàng)目工業(yè)復(fù)用水率高達(dá)96.5%。
項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，銅冶煉整體系統(tǒng)安全、節(jié)能、環(huán)保。
2工藝流程圖
3變頻器的應(yīng)用
在這個(gè)工藝流程中，
SO2煙氣由干燥塔到散熱器的過程是由鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)道傳遞的，而鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行采用了變頻控制，啟動(dòng)平穩(wěn)，風(fēng)量可隨時(shí)根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)，并節(jié)約了能量。
3.1現(xiàn)場(chǎng)的基本數(shù)據(jù)
（1）電動(dòng)機(jī)
名稱：SIMA變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)
型號(hào)：YPT5003-2
功率：710KW
絕緣等級(jí)：F
額定電壓：10KV
額定電流：49.7A
接法：Y型
防護(hù)等級(jí)：IP54
恒轉(zhuǎn)矩：2260N.M,20-50Hz.
冷卻方式：IC616
生產(chǎn)廠家：西安西碼電機(jī)（集團(tuán)）股份有限公司
（2）離心鼓風(fēng)機(jī)
型號(hào)：C850-1.357/0.969
流量：850m3/min
出口壓力：38000Pa
電機(jī)功率：710KW
主軸轉(zhuǎn)速：2980r/min
生產(chǎn)廠家：湖北雙創(chuàng)鼓風(fēng)機(jī)制造有限公司
3.2系統(tǒng)方案
根據(jù)用戶要求，現(xiàn)場(chǎng)共兩套系統(tǒng)，配置兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，配置一套變頻器，即一臺(tái)變頻器拖動(dòng)二臺(tái)電機(jī)，采用一拖二方式。旁路系統(tǒng)由1個(gè)高壓真空接觸器KM1和5個(gè)高壓隔離開關(guān)K1、K21、K22、K31、K32組成。要求K21不能和K1、K31同時(shí)閉合，K22不能和K1、K32同時(shí)閉合，在電氣上實(shí)現(xiàn)互鎖。K1與K31閉合，K21斷開，1#電機(jī)變頻運(yùn)行；K1與K32閉合，K22斷開，2#電機(jī)變頻運(yùn)行。K1與K31斷開，K21閉合，1#電機(jī)工頻運(yùn)行；K1與K32斷開，K22閉合，2#電機(jī)工頻運(yùn)行。
主回路圖如下：
3.3變頻器的配置
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和用戶要求，采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-710F型號(hào)的高壓大功率變頻器為用戶配置。
（1）變頻裝置技術(shù)數(shù)據(jù)
A、額定輸入電壓：10KV,允許變化范圍：+15%～-20%
B、額定輸出電壓：0～10KV
C、額定容量：900KVA
D、輸入諧波：＜3%
E
、輸入功率因數(shù)：＞95%
F、過載能力：120%連續(xù)，150%1分鐘。
（2）
風(fēng)光高壓變頻器的主要特點(diǎn)及構(gòu)成：
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為每相8單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由控制柜、功率柜、變壓器柜組成。
控制器采用32位高速DSP芯片，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到較優(yōu)的運(yùn)行性能。彩色嵌入式人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。控制器還包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)（包括DCS/RS485//Modbus）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)系統(tǒng)的靈活性。控制器結(jié)構(gòu)上采用箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。
（3）控制方式
變頻器有三種控制方式：
本地控制：從變頻器操作界面控制電機(jī)的啟、停，并能完成變頻器的所有控制；
遠(yuǎn)程控制：通過內(nèi)置PLC接受來自現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量控制；
上位機(jī)控制：通過RS485接口，采用PROPFIBUS通訊協(xié)議，接收上位DCS系統(tǒng)的控制；或與DCS硬連接。
在本系統(tǒng)中，由于用戶采用DCS集中控制系統(tǒng)，因此我們采用上位機(jī)控制，將變頻器所需要的開機(jī)信號(hào)和速度調(diào)節(jié)信號(hào)直接傳至用戶的集中控制系統(tǒng)，采用硬連接，在DCS上直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，并接受由DCS上傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的溫度及風(fēng)量調(diào)節(jié)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)過熱保護(hù)及風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
表1、用戶DCS與變頻器的接口：
表2、高壓變頻系統(tǒng)到用戶DCS的接線：
4安裝與調(diào)試
4.1安裝
安裝時(shí)注意不要將變頻器安裝在有較大灰塵、腐蝕或爆炸性氣體、導(dǎo)電粉塵等空氣污染的環(huán)境里。考慮通風(fēng)散熱及操作空間的需要，10KV系列整套裝置背面離墻或是別的柜體距離不得小于1500mm，裝置頂部離屋頂距離不得小于1500mm;裝置正面離墻或是別的柜體距離不得小于1500mm。
所有柜體應(yīng)牢固安裝于基座之上，并和廠房大地可靠連接。變壓器屏蔽層及接地端子PE也應(yīng)接至廠房大地。各柜體之間應(yīng)相互連接成為一個(gè)整體。
安裝過程中，要防止變頻器受到撞擊和震動(dòng)，所有柜體不得倒置，傾斜角度不得超過30°。
變頻器安裝場(chǎng)地應(yīng)采取完善的小動(dòng)物防護(hù)措施。
以變頻器隨機(jī)配套的《整機(jī)連線圖》為依據(jù)進(jìn)行安裝接線。
a.確認(rèn)變頻器殼體安裝正確整齊，底部槽鋼與大地可靠連接（建議采用焊接方式）。包括控制柜、功率柜、變壓器柜和旁路柜。風(fēng)道的設(shè)計(jì)、安裝必須防雨，以防雨水順風(fēng)道進(jìn)入變頻器內(nèi)。
b.變頻器功率柜分前后兩面安裝。每相前后面各4個(gè)單元，按照功率單元標(biāo)注的編號(hào)的順序?qū)卧湃牍β使瘢m然單元可以互換，但是按編號(hào)安放便于查詢，也符合人的正常思維）。
c.安裝UPS,人機(jī)界面，高壓帶電顯示裝置，變壓器溫控儀，電流傳感器，報(bào)警器。
d.依照連線圖接變頻器內(nèi)部連線。
4.2通控制電調(diào)試過程
注意：通控制電調(diào)試時(shí)必須確保高壓電不能加到變頻器上，以確保人身安全
（1）通上交流220V控制電（交流220伏控制電用6mm2的電源線。控制電源為AC220V±10%，容量不小于5KVA。合上控制柜、旁路柜內(nèi)斷路器，開UPS后當(dāng)人機(jī)界面顯示正常時(shí)，說明控制電源已送上，觸摸屏?xí)詣?dòng)進(jìn)入監(jiān)控程序。
（2）合變頻柜主回路上的隔離開關(guān)。
（3）按變頻送電按鈕或是模擬短接高壓就緒接點(diǎn)，但是在送高壓電之前必須將模擬短接點(diǎn)斷開。
（4）開機(jī)用示波器測(cè)量單元輸出波形和總輸出波形是否正確。
每個(gè)單元輸出的波形：
（5）按照變頻器的接線圖及技術(shù)協(xié)議連接變頻器的內(nèi)部接線。
4.3依照連線圖接變頻器與外部連線
（1）外部高壓就緒，故障輸出，報(bào)警輸出，就地指示，遠(yuǎn)程指示，變頻指示，工頻指示，遠(yuǎn)程急停，遠(yuǎn)程開機(jī)，遠(yuǎn)程停機(jī)，遠(yuǎn)程頻率給定，電流輸出，頻率輸出，工藝允許，聯(lián)跳外部高壓等。
（2）變頻器控制柜內(nèi)的走線原則
高壓線和低壓線分開走線，交流和直流分開走線，PLC
輸入和4～20mA模擬信號(hào)必須用屏蔽線，屏蔽線線徑不能小于0.5mm2,以免線徑太細(xì)壓接時(shí)易斷。
交流電源用線沿控制柜靠近功率單元柜的一側(cè)走，直流電源用線沿控制柜不靠功率柜的的一側(cè)走線。走線要整齊、美觀、易查。
4.4試驗(yàn)變頻器遠(yuǎn)程開機(jī)，停機(jī)，頻率給定
電流輸出與頻率輸出和各種顯示，及與現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系的各種必要的互鎖。
4.5現(xiàn)場(chǎng)通高壓電調(diào)試
（1）將高壓電送至變頻器，無特殊情況不要在通高壓電的情況下測(cè)輸出或是其他地方，如需測(cè)試，調(diào)試人員需做好安全防護(hù)并經(jīng)技術(shù)人員允許后再測(cè)試，以免出現(xiàn)安全事故。
（2）輕載試驗(yàn)，觀察變頻器運(yùn)行是否正常。
（3）試驗(yàn)工頻變頻狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)向是否一致。如果不一致，則將變頻器三相輸出中任意兩相更換位置。
（4）重載試驗(yàn)
由于該系統(tǒng)電機(jī)軸承與風(fēng)機(jī)配比不太合理，且電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，啟動(dòng)時(shí)較困難，需要增加低頻補(bǔ)償，經(jīng)過試驗(yàn)，在風(fēng)門全開，即負(fù)荷最大情況下，大約設(shè)定在3.5%,可滿足正常啟動(dòng)要求。
原系統(tǒng)DCS控制設(shè)置有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，調(diào)試時(shí)先在手動(dòng)方式調(diào)試工作正常，根據(jù)用戶要求，設(shè)置變頻器頻率上升、下降時(shí)間，達(dá)到上升不過流保護(hù)/下降不過壓保護(hù)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)間為上升300s,下降420s.然后再轉(zhuǎn)至自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，有DCS的PID輸出控制變頻器的頻率，從而達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。
系統(tǒng)最終運(yùn)行參數(shù)：
變頻器：
頻率40Hz,
輸出電流39A,
輸入電流21A,
輸出電壓7.37KV,
輸入電壓9.34KV
風(fēng)機(jī)參數(shù)：
氣體溫度：
進(jìn)口31.10℃，出口 57.10℃
氣體壓力： 進(jìn)口 -7.04Kpa,出口 17.06Kpa
電機(jī)軸承溫度
左：34.1℃，右：34.10℃
5應(yīng)用效果
（1）實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動(dòng)。該設(shè)備為新機(jī)配套，由于系統(tǒng)電網(wǎng)配置小，工頻直接啟動(dòng)，電流大約為額定電流的5-7倍，即啟動(dòng)瞬間可達(dá)300A左右，在風(fēng)門開啟時(shí)根本啟動(dòng)不了。而采用變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大約在額定電流的一半左右（約28A）即可平穩(wěn)正常啟動(dòng)，因此解決了軟啟動(dòng)問題。
（2）運(yùn)行中調(diào)速平滑、連續(xù)，.可依據(jù)工藝需要平滑的調(diào)節(jié)變頻器的頻率，進(jìn)而無級(jí)的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使SO2送風(fēng)量得到無級(jí)平滑的調(diào)節(jié)，減少了對(duì)風(fēng)門及系統(tǒng)的沖擊，極大的保護(hù)了風(fēng)道系統(tǒng)，免受沖擊損害。
（3）簡化了操作系統(tǒng)，精簡了控制程序，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是自動(dòng)控制的應(yīng)用，提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)了變頻器無人值守。
（4）節(jié)能顯著。
對(duì)風(fēng)機(jī)\泵類負(fù)載，由流體力學(xué)知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，管壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行在40Hz
,因此變頻運(yùn)行下的功率
P變=（40/50）3P工=0.83P工=0.51
P工
當(dāng)然變頻改造后效率可能要降低一些，總體效率大約80%.因此變頻應(yīng)用后的實(shí)際效率為
P1變=0.51/80% P工=0.64
P工=64% P工
則節(jié)電率為⊿P= （P工- P1變）/
P工=36%
節(jié)電效果是十分明顯的，基本達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果。
總之，使用變頻器后，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)約電能，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的較理想設(shè)備，值得在各種領(lǐng)域大力推廣。
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