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高壓變頻器在羅茨鼓風機中的應用

發布時間:2020-04-18 作者:新風光

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。

1587177516(1).jpg

 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

兴发老虎机<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,其諧波指標遠小于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。2007年,高壓變頻器被評為中國名牌產品。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。

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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,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。

壓力閉環.jpg

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:

兴发老虎机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。

兴发老虎机(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。

兴发老虎机(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。

 

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