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高壓變頻器在羅茨鼓風(fēng)機中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2020-04-18 作者:新風(fēng)光

1引言

變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果,改善設(shè)備的運行工況,提高系統(tǒng)的安全可靠性,延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點,成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個發(fā)展方向。而通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)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(shè)備損耗。隨著當(dāng)今社會市場競爭不斷加劇,采用變頻調(diào)速技術(shù)對這類負(fù)載進(jìn)行改造,成為社會的潮流。

2用戶現(xiàn)場設(shè)備介紹

山西某煤化公司是一家集煤炭深加工及發(fā)電為一體的綜合性公司,其下屬焦化公司有一條年產(chǎn)60萬噸焦炭的煉焦生產(chǎn)線,其主要產(chǎn)出為焦炭、焦油及煤氣。煤氣主要供給后面的電廠發(fā)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?fàn)t產(chǎn)出的煤氣經(jīng)過風(fēng)機吸收后,經(jīng)過加壓、通過管道輸送給電廠鍋爐作為燃?xì)獍l(fā)電。煤氣加壓機前級為焦捕柜,焦化爐產(chǎn)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(shè)備為煤氣加壓系統(tǒng)中并聯(lián)使用,正常情況下一用一備。煤氣加壓機選用的風(fēng)機為羅茨風(fēng)機,羅茨風(fēng)機相比于離心風(fēng)機有兩個主要特點:(1)啟動時進(jìn)風(fēng)門和出風(fēng)門必須完全打開,(2)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入羅茨風(fēng)機的氣體必須完全打出去。其生產(chǎn)流程圖如圖1所示。


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 圖1 焦化廠生產(chǎn)流程圖

這兩臺煤氣加壓機的具體參數(shù)如表1所示。

表1  A、B煤氣加壓機

電機參數(shù)

負(fù)載名稱

煤氣加壓機

所帶負(fù)載類型

羅茨風(fēng)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(shù)

0.8

額定轉(zhuǎn)速(rpm)

594

絕緣等級

F

 風(fēng)機參數(shù)

型號

ARMH750M

升壓(kPa)

13

額定風(fēng)量(m3/nin)

740

額定轉(zhuǎn)速(rpm)

590

額定功率(kW)

280

出廠編號

12645

該設(shè)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(fēng)機由于長期運行以后粘附有很多焦油,增加了設(shè)備的阻力。另外羅茨風(fēng)機為風(fēng)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(fēng)機為典型的重載啟動負(fù)載。

原系統(tǒng)6kV高壓斷路器直接送到電機,沒有其他軟起設(shè)備,高壓電機與羅茨風(fēng)機直接用靠背輪連接。該設(shè)備由于是重載啟動,并且焦油冷態(tài)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(fēng)機打高溫蒸汽加熱。另外直接啟動有可能影響羅茨風(fēng)機內(nèi)部氣隙。由于羅茨風(fēng)機選型偏大,電廠往往不需要羅茨風(fēng)機滿負(fù)荷運轉(zhuǎn),這樣風(fēng)機只好打開回流閥,造成風(fēng)機運行效率低下,浪費嚴(yán)重,廠領(lǐng)導(dǎo)為了提高煤氣加壓機的運行效率,經(jīng)研究決定改造該設(shè)備,增加兩套高壓變頻器,采用壓力閉環(huán)控制。

經(jīng)過多方考察,通過招標(biāo)方式,廠領(lǐng)導(dǎo)決定采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-315F(315 kW /6kV)高壓變頻器2套作為羅茨風(fēng)機的改造設(shè)備,改造取得了成功。

3風(fēng)光公司JD-BP37-315F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹

3.1JD-BP37-315F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)

JD-BP37-315F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

 表2  JD-BP37-315F 高壓變頻器主要技術(shù)指標(biāo)

變頻器容量(kW)

400

模擬量輸入

0~5V/4~20mA,任意設(shè)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(guān)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(huán)境溫度

-10~40℃

輸入功率因數(shù)

>0.97(>20%負(fù)載)

貯存/運輸溫度

-20~70℃

變頻器效率

額定負(fù)載下>0.98

冷卻方式

強迫風(fēng)冷

輸出頻率范圍(Hz)

0~120

環(huán)境濕度

<90%,無凝結(jié)

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(xù),150%允許1min,180%立即保護(hù)

防護(hù)等級

IP20

3.2 JD-BP37-315F高壓變頻器技術(shù)特點

風(fēng)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(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)小于IEEE519-1992的諧波國家標(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)補償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機附加發(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。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,提高了設(shè)備運行的平穩(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)可滿足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動的需要;可以實現(xiàn)大容量電機雙向無擾動投切,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),若單元在運行中故障,且變頻器對其旁路繼續(xù)運行,此時可在運行中對故障單元進(jìn)行復(fù)位,不必等變頻器停機;

(9)多種控制方式,可選擇本機控制、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,并可使保證運行維護(hù)人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握;

(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過電流保護(hù)時,可自動復(fù)位,繼續(xù)運行。

4變頻改造控制方案

為了充分保證煤氣加壓系統(tǒng)的可靠性,變頻器加裝了工頻旁路裝置,兩臺煤氣加壓機現(xiàn)有的控制設(shè)備和運行方式仍將保留,控制回路上設(shè)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(xiàn)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(tǒng)可顯示變頻器的運行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài),實時監(jiān)控系統(tǒng)運行。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)用戶的需要擴展控制開關(guān)量,增強了系統(tǒng)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(shè)備安裝在風(fēng)機值班室內(nèi),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(shè),同時敷設(shè)集控室至高壓變頻器的控制電纜用于變頻器的遠(yuǎn)程控制,采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信號,實現(xiàn)設(shè)備的控制調(diào)節(jié)及信號反饋。此外還需敷設(shè)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。

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 圖2 手動旁路柜

圖2旁路柜中,共有3個高壓隔離開關(guān),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(gòu),實現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合,K2斷開時,A煤氣加壓機變頻運行;當(dāng)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(hù)和調(diào)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(guān)與變頻輸出隔離開關(guān),以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象,確保操作人員和設(shè)備的安全。

故障分閘:將1#變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后,并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下,當(dāng)1#變頻器出現(xiàn)故障時,分?jǐn)?#變頻器高壓輸入;旁路投入狀態(tài)下,變頻器故障分閘無效。保護(hù):保持原有對電機的保護(hù)及其整定值不變。

6壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)原理、PID設(shè)定

由于該公司需要對煤氣壓力進(jìn)行控制,因此采用壓力閉環(huán)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(fēng)機出氣口的官道上,Vi為需設(shè)定壓力值,壓力傳感器測量壓力V作為輸出量,構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器通過采集測量V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運算,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。

壓力閉環(huán).jpg

圖3  壓力閉環(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0.5。

(2)積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過強的積分作用使閉環(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)增強積分作用,以提高控制精度。本變頻器I設(shè)定為15.0。

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,完全可以滿足壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制要求,不需要設(shè)定微分參數(shù)。

7生產(chǎn)工藝參數(shù)調(diào)整

原系統(tǒng)改為變頻調(diào)速系統(tǒng)以后,有一些問題需要重新設(shè)定。如:放散閥的壓力設(shè)定,未改造前的原工頻運行,放散閥的壓力為5kPa,也就是當(dāng)羅茨風(fēng)機后級的氣壓達(dá)到5kPa以上時,才開啟放散閥,排泄出多余的煤氣。由于羅茨風(fēng)機的工作特點,必須把進(jìn)風(fēng)閥門進(jìn)入的氣體完全打出去,當(dāng)后級的氣壓較高時,羅茨風(fēng)機負(fù)荷較重,電機電流已經(jīng)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(shè)定為20Hz。經(jīng)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(chǎn)需要。這樣煤氣加壓系統(tǒng)可以進(jìn)一步降低消耗。

8變頻器運行情況

A、B煤氣加壓機變頻節(jié)電改造后,2015年7月中旬,正式投入生產(chǎn),至今運行正常。系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)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(shè)備實現(xiàn)了軟起動,改善了設(shè)備的運行工況,極大地減輕了羅茨風(fēng)機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,對工頻、變頻相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了一周統(tǒng)計,以A煤氣加壓機的運行數(shù)據(jù)如表3所示。

表3  A煤氣加壓機的運行數(shù)據(jù)


調(diào)節(jié)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(fēng)閥

25

手動、閥門調(diào)節(jié)

209.3

改造后

變頻調(diào)速

14.1

自動、恒液位

145.99

改造后,A煤氣加壓機的節(jié)電率為:(209.30-145.99)/209.30=30.25%,該設(shè)備年運行時間300天,每天運行24h。按0.51元/kW? h計算,年節(jié)省電費:

(209.30-145.99)kW×24h×300d×0.51元/ kW? h =232474.6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,羅茨風(fēng)機的運行轉(zhuǎn)速大大低于額定轉(zhuǎn)速。由于加壓機啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低,減少了風(fēng)機的零部件密封、軸承的磨損,相應(yīng)地延長了風(fēng)機的壽命。

(2)工作強度降低。改造后采用壓力閉環(huán)控制,就不用調(diào)節(jié)放風(fēng)閥,操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?、監(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度。

(3)現(xiàn)場噪音大大降低,有效改善現(xiàn)場的運行環(huán)境,運行人員反映良好;便于實現(xiàn)煤氣加壓站機組控制系統(tǒng)自動化管理。

9 結(jié)束語

經(jīng)過變頻改造后,煤氣加壓機實現(xiàn)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(wěn)定,達(dá)到了較好的節(jié)能效果。隨著國家對節(jié)能減排工作的越來越重視,企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本,其中變頻技術(shù)起到了關(guān)鍵作用,取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益,適應(yīng)了國家建設(shè)資源節(jié)約型社會的潮流。