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1引言

變頻調速技術(shù)以其卓越的調速性能、顯著(zhù)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(cháng)設備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，成為現代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。而通過(guò)調節風(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度的大小來(lái)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(zhù)當今社會(huì )市場(chǎng)競爭不斷加劇，采用變頻調速技術(shù)對這類(lèi)負載進(jìn)行改造，成為社會(huì )的潮流。

2用戶(hù)現場(chǎng)設備介紹

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(wàn)噸焦炭的煉焦生產(chǎn)線(xiàn)，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(chǎng)發(fā)電用。在焦化公司與電廠(chǎng)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(chǎn)出的煤氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機吸收后，經(jīng)過(guò)加壓、通過(guò)管道輸送給電廠(chǎng)鍋爐作為燃氣發(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(chǎng)配有兩臺煤氣加壓機，該設備為煤氣加壓系統中并聯(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(gè)主要特點(diǎn)：（1）啟動(dòng)時(shí)進(jìn)風(fēng)門(mén)和出風(fēng)門(mén)必須完全打開(kāi)，（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。

 圖1 焦化廠(chǎng)生產(chǎn)流程圖

這兩臺煤氣加壓機的具體參數如表1所示。

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(fēng)機由于長(cháng)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(fēng)機為風(fēng)門(mén)全開(kāi)的情況下啟動(dòng)，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(dòng)負載。

原系統6kV高壓斷路器直接送到電機，沒(méi)有其他軟起設備，高壓電機與羅茨風(fēng)機直接用靠背輪連接。該設備由于是重載啟動(dòng)，并且焦油冷態(tài)時(shí)阻力很大，所以直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流大，容易造成斷路器跳閘，需要多次合閘才能啟動(dòng)。并且啟動(dòng)前還需要給羅茨風(fēng)機打高溫蒸汽加熱。另外直接啟動(dòng)有可能影響羅茨風(fēng)機內部氣隙。由于羅茨風(fēng)機選型偏大，電廠(chǎng)往往不需要羅茨風(fēng)機滿(mǎn)負荷運轉，這樣風(fēng)機只好打開(kāi)回流閥，造成風(fēng)機運行效率低下，浪費嚴重，廠(chǎng)領(lǐng)導為了提高煤氣加壓機的運行效率，經(jīng)研究決定改造該設備，增加兩套高壓變頻器，采用壓力閉環(huán)控制。

經(jīng)過(guò)多方考察，通過(guò)招標方式，廠(chǎng)領(lǐng)導決定采用新風(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)機的改造設備，改造取得了成功。

3風(fēng)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(shù)指標

JD-BP37-315F高壓變頻器技術(shù)指標如表2所示。

3.2 JD-BP37-315F高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

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(wú)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，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)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(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。具體來(lái)說(shuō)，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(diǎn)：

(1)高性能矢量控制，啟動(dòng)轉矩大，轉矩動(dòng)態(tài)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(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，保證系統穩定可靠的工作；

(3)快速飛車(chē)啟動(dòng)技術(shù)，特別適用于變頻保護后的重新啟動(dòng)，可實(shí)現變頻器在0.1s之內從保護狀態(tài)復位重新帶載運行；

(4)電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟，可提供最長(cháng)60s的等待時(shí)間；

(5)星點(diǎn)漂移技術(shù)，檢測到單元故障后，可在100us之內將單元旁路，執行星點(diǎn)漂移技術(shù)，保持輸出線(xiàn)電壓平衡，最大程度提高電壓利用率；

(6)工、變頻無(wú)擾切換技術(shù)，該技術(shù)可滿(mǎn)足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動(dòng)的需要；可以實(shí)現大容量電機雙向無(wú)擾動(dòng)投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行；

(7)輸出電壓自動(dòng)穩壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測各單元母線(xiàn)電壓，根據母線(xiàn)電壓調整輸出電壓，從而實(shí)現自動(dòng)穩壓功能；

(8)故障單元熱復位技術(shù)，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時(shí)可在運行中對故障單元進(jìn)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(xié)議，頻率設定可以現場(chǎng)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(shí)時(shí)顯示檢測系統的直流電壓，從而實(shí)現輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實(shí)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(zhuān)利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍；

(12)具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會(huì )導致重大事故。變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)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(fā)生；

(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過(guò)設定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負載突然變化而引起的過(guò)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(guò)電流保護時(shí)，可自動(dòng)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(shí)現兩臺煤氣加壓機在工頻或變頻運行。

通過(guò)目前已有的DCS系統可顯示變頻器的運行數據和當前狀態(tài)，實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS-485)的協(xié)調，并且可以根據用戶(hù)的需要擴展控制開(kāi)關(guān)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(hù)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(fēng)機值班室內，原高壓柜至電機的高壓電纜用做改造時(shí)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(shí)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(chǎng)設備狀態(tài)信號，實(shí)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(shuō)明，如圖2所示。

 圖2 手動(dòng)旁路柜

圖2旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)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(dòng)機構，實(shí)現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，A煤氣加壓機變頻運行；當K1、K3斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，A煤氣加壓機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，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(shí)，絕對不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)，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(lián)后，并聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當1#變頻器出現故障時(shí)，分斷1#變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無(wú)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(huán)控制系統原理、PID設定

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為需設定壓力值，壓力傳感器測量壓力V作為輸出量，構成閉環(huán)控制系統。變頻器通過(guò)采集測量V與用戶(hù)給定值Vi進(jìn)行比較和運算，通過(guò)內置PID進(jìn)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(huán)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(guò)大，系統容易因超調而震蕩。若P太小，又會(huì )使系統的動(dòng)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(tài)誤差。但過(guò)強的積分作用使閉環(huán)系統超調加大。所以在調節過(guò)程初期，應減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現象；而到過(guò)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(fēng)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(shí)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(shí)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(shí)起作用，完全可以滿(mǎn)足壓力閉環(huán)控制系統的控制要求，不需要設定微分參數。

7生產(chǎn)工藝參數調整

原系統改為變頻調速系統以后，有一些問(wèn)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(fēng)機后級的氣壓達到5kPa以上時(shí)，才開(kāi)啟放散閥，排泄出多余的煤氣。由于羅茨風(fēng)機的工作特點(diǎn)，必須把進(jìn)風(fēng)閥門(mén)進(jìn)入的氣體完全打出去，當后級的氣壓較高時(shí)，羅茨風(fēng)機負荷較重，電機電流已經(jīng)超過(guò)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(jīng)過(guò)與客戶(hù)溝通后，正常煤氣加壓壓力為3kPa左右，基本滿(mǎn)足正常生產(chǎn)需要。這樣煤氣加壓系統可以進(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。系統達到了預期的效果：實(shí)施變頻改造后，煤氣加壓站總用電量有明顯下降，設備實(shí)現了軟起動(dòng)，改善了設備的運行工況，極大地減輕了羅茨風(fēng)機起動(dòng)時(shí)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(jìn)行了一周統計，以A煤氣加壓機的運行數據如表3所示。

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(shí)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(zhù)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(shí)間里，羅茨風(fēng)機的運行轉速大大低于額定轉速。由于加壓機啟動(dòng)緩慢及轉速的降低，減少了風(fēng)機的零部件密封、軸承的磨損，相應地延長(cháng)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，就不用調節放風(fēng)閥，操作工作由手動(dòng)轉變?yōu)樽詣?dòng)、監控，完全實(shí)現生產(chǎn)的無(wú)人操作，大大減輕了工人的勞動(dòng)強度。

（3）現場(chǎng)噪音大大降低，有效改善現場(chǎng)的運行環(huán)境，運行人員反映良好；便于實(shí)現煤氣加壓站機組控制系統自動(dòng)化管理。

9 結束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)變頻改造后，煤氣加壓機實(shí)現軟起軟停，不僅大大降低了工作人員的勞動(dòng)強度，而且使整個(gè)工藝流程更穩定，達到了較好的節能效果。隨著(zhù)國家對節能減排工作的越來(lái)越重視，企業(yè)通過(guò)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(huì )效益，適應了國家建設資源節約型社會(huì )的潮流。