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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,。

 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,。

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。

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(kuò)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,。

 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,。

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,。

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(jì)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。