Tangshan Huifeng Company Coal Gas Pressuring Machine Frequency Conversion Energy Saving Reconstruction

                                                唐山市匯豐煉焦制氣廠  郭繼杰

山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司   胡令芝

摘  要：本文介紹了山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器在唐山市匯豐煉焦制氣廠煤氣加壓機(jī)中的應(yīng)用情況。通過改造，實(shí)現(xiàn)了煤氣加壓機(jī)的高效運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器  煤氣加壓機(jī)  節(jié)能降耗

1引言

唐山市匯豐煉焦制氣廠隸屬于唐山市順利實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司。匯豐煉焦制氣公司主要產(chǎn)品：焦炭、硫胺、煤氣、苯等化工產(chǎn)品。制氣公司焦?fàn)t焦化過程中產(chǎn)生的粗煤氣經(jīng)過捕焦油、脫硫、脫苯等，變成合乎要求的精煤氣，精煤氣經(jīng)管道運(yùn)輸?shù)郊訅悍?，?jīng)過煤氣加壓機(jī)增壓后供給用戶使用。

公司原有三條焦?fàn)t生產(chǎn)線，主要供給用戶為：唐山市煤氣公司、古冶鎮(zhèn)煤氣公司。為了擴(kuò)大生產(chǎn)，2010年匯豐煉焦制氣廠新建一條焦?fàn)t生產(chǎn)線，供給黑貓?zhí)亢诠臼褂?，新生產(chǎn)線生產(chǎn)的煤氣管道沒有與原系統(tǒng)管道聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)生煤氣目前只能部分使用，大部分都排放到大氣中，浪費(fèi)嚴(yán)重。為此，公司新建一個(gè)五萬氣柜項(xiàng)目，目的是把煉焦生產(chǎn)過程中產(chǎn)出的精煤氣儲(chǔ)存后輸送到城市煤氣網(wǎng)絡(luò)，增加公司的收益，減少浪費(fèi)。新建的氣站主要由5萬立方米氣柜、加壓站、煤氣流量監(jiān)測(cè)站、管道等構(gòu)成。5萬立方米煤氣柜的作用是：煤氣柜作為緩沖使用，焦?fàn)t生產(chǎn)的煤氣多于用戶使用量時(shí)，多余的煤氣儲(chǔ)存到煤氣柜里。當(dāng)用戶需氣量大于焦?fàn)t生產(chǎn)氣量時(shí)，從煤氣柜里抽取煤氣作為補(bǔ)充。加壓站由10臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)成。

城市居民的用氣量（古冶、唐山）變化量較大，做飯時(shí)用氣量較大，需要較大的供氣量，夜間、凌晨等時(shí)間用氣量較少，這樣如果直接用工頻電機(jī)恒速驅(qū)動(dòng)的話，用氣量無法調(diào)節(jié)，而且用氣量少時(shí)容易引起后級(jí)煤氣管道的壓力增高，造成管道泄露危險(xiǎn)。供給黑貓?zhí)亢诠旧a(chǎn)的用氣量也隨著生產(chǎn)的需要而隨時(shí)變化，這樣它的用氣量也需要隨時(shí)調(diào)節(jié)。

2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備介紹

焦化廠配有10臺(tái)煤氣加壓機(jī)，該煤氣加壓設(shè)備為并聯(lián)使用，煤氣管道分六路對(duì)外供氣。正常情況下七用三備。煤氣加壓機(jī)選用的風(fēng)機(jī)為羅茨風(fēng)機(jī)，羅茨風(fēng)機(jī)相比于離心風(fēng)機(jī)有兩個(gè)主要特點(diǎn)：（1）啟動(dòng)時(shí)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(jī)的氣體必須完全打出去，當(dāng)用氣量較小時(shí)，采取放空或者打回流處理措施，造成浪費(fèi)。此次改造的煤氣加壓機(jī)為1#、2#、3#、7#、8#、10#，這六臺(tái)煤氣加壓機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

由于羅茨風(fēng)機(jī)選型偏大，往往不需要羅茨風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣風(fēng)機(jī)只好打開回流閥，或者采取放空處理，造成風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，廠領(lǐng)導(dǎo)為了提高煤氣加壓機(jī)的運(yùn)行效率，經(jīng)研究決定采用高壓變頻器改造該設(shè)備。

通過招標(biāo)方式，廠領(lǐng)導(dǎo)選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38系列（10kV）6套高壓變頻器作為改造項(xiàng)目的適用設(shè)備，改造取得了成功。

3風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)光牌JD-BP38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)遠(yuǎn)小于IEE519-1992的諧波國(guó)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(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。2007年，高壓變頻器被評(píng)為中國(guó)名牌產(chǎn)品。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：        

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。

(2)飛車啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。

(3)完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)。現(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程不會(huì)對(duì)用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。

(4)旋轉(zhuǎn)中再啟動(dòng)功能。運(yùn)行過程中高壓瞬時(shí)掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動(dòng)運(yùn)行到掉電前的頻率。

(5)線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

(6)單元直流電壓檢測(cè)：實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)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(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。

(7)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。

(8) 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu)，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue)，設(shè)備可靠性更高。

(9) 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(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時(shí)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。

(10) 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(dòng)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(jī)次數(shù)。

(11) 故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過電流保護(hù)時(shí)，可自動(dòng)復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。

4風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹

4.1總體結(jié)構(gòu)

采用直接高壓變頻電路結(jié)構(gòu)，功率單元多重化連接，直接輸出到高壓電機(jī)，提供驅(qū)動(dòng)電壓。從物理結(jié)構(gòu)上分為控制柜，功率柜，變壓器柜三大部分，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求還可選配旁路柜，上位機(jī)，遠(yuǎn)控盒，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓變頻器外形

4.2控制柜

變頻控制柜主要有主控(CPU)、UPS、PLC、人機(jī)界面、控制電源開關(guān)、開關(guān)電源、繼電器、避雷器、信號(hào)隔離器、接線端子，柜門操作按鈕等部分構(gòu)成，控制柜主要構(gòu)成部分介紹如下。

（1）主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)為變頻器的核心，它接收和處理來自上位控制及PLC的控制命令，產(chǎn)生每相各級(jí)功率單元的控制信號(hào)，同時(shí)采集和處理所有故障單元反饋回來的故障信息。新風(fēng)光JD-BP38系列變頻器采用高性能的主控系統(tǒng)，控制器采用32位DSP，運(yùn)行速度可以達(dá)到150MIPS，足夠完成一些較復(fù)雜的控制算法。同時(shí)其有6路獨(dú)立的PWM輸出、2個(gè)異步串行通訊口、16通道12位AD輸入，內(nèi)置了36K的RAM和256K的Flash存儲(chǔ)器，可以存放較大規(guī)模的程序。線路板采用大規(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。    

（2）不間斷電源UPS

UPS不間斷電源，安裝在控制柜的底部，屬于純?cè)诰€式，當(dāng)外部提供的控制電源220VAC正常時(shí)，UPS提供給控制系統(tǒng)穩(wěn)定的220V電源，當(dāng)外部電源掉電時(shí)，利用設(shè)計(jì)的電源冗余系統(tǒng)，相應(yīng)的控制電繼電器動(dòng)作，轉(zhuǎn)到變壓器的二次繞組220V繼續(xù)提供控制電源，UPS不間斷工作，提供穩(wěn)定的電源。只有當(dāng)控制電和高壓電同時(shí)掉電后，UPS利用自身的電池可繼續(xù)給系統(tǒng)供電30分鐘，同時(shí)變頻器給出報(bào)警信號(hào)，用戶應(yīng)盡快恢復(fù)控制電源。

（3）內(nèi)置PLC

變頻器通過內(nèi)置PLC實(shí)現(xiàn)內(nèi)部開關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理，增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的靈活性。對(duì)開關(guān)量的數(shù)量不能滿足要求時(shí)，可以用數(shù)字量擴(kuò)展模塊來實(shí)現(xiàn)。PLC作為一種技術(shù)成熟的工業(yè)控制元件，為變頻器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供靈活的接口和可靠性保證。

高壓變頻器的控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接口如圖2所示：

圖2 高壓變頻器的控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接口圖

4.3 功率柜

功率柜主要用于安裝功率單元，實(shí)現(xiàn)單元的串聯(lián)疊加三相輸出。功率單元是使用功率電力電子器件進(jìn)行整流、濾波、逆變的高壓變頻器部件，也是構(gòu)成高壓變頻器主回路的主要部分。每個(gè)功率單元都相當(dāng)于一臺(tái)交-直-交電壓型單相低壓變頻器。每個(gè)功率單元由H橋構(gòu)成，輸出一組SPWM波，每相8個(gè)單元，通過疊加輸出一組17個(gè)電平的正弦波；同一相中的每個(gè)功率單元的采樣頻率一致，用同一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制，載波相差1/N個(gè)采樣周期。

當(dāng)功率單元出現(xiàn)過流、過壓故障時(shí)，變頻器立即封鎖該單元的輸出，通過軟件控制，使功率單元輸出電流可以經(jīng)全橋逆變電路上橋臂，或者下橋臂形成電流回路實(shí)現(xiàn)將該單元旁路。

功率柜頂部配置冷卻風(fēng)機(jī)，選擇德國(guó)EBM的風(fēng)機(jī)，由移相變壓器二次檢測(cè)繞組220V供電，通過斷路器由PLC控制功率柜風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，當(dāng)變頻器啟動(dòng)頻率運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。

4.4 變壓器柜

變壓器柜主要由移相變壓器、溫控儀、冷卻風(fēng)機(jī)等部件構(gòu)成。

移相變壓器的原理：將高壓電源變換為副邊相互絕緣的多組低壓，各副邊繞組在繞制時(shí)采用延邊三角形的接法，相互之間有一定的相位差。移相變壓器示意圖如圖3所示。

圖3  移相變壓器示意圖

5變頻改造控制方案

為了保證10kV高壓電源的不間斷，10kV高壓電采用雙回路供電，中間用聯(lián)絡(luò)柜連接。若其中一路失電，則另一路直接供電保持穩(wěn)定。

為了保證煤氣加壓系統(tǒng)的可靠性，1#、2#、3#、7#、8#、10#煤氣加壓機(jī)采用4用2備。當(dāng)變頻器發(fā)生故障，停止運(yùn)行時(shí)，備用加壓機(jī)馬上投入運(yùn)行，這樣可以保證煤氣加壓機(jī)的供氣要求，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

煤氣加壓機(jī)變頻系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時(shí)，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)停機(jī)；在現(xiàn)場(chǎng)速度給定信號(hào)掉線時(shí)，變頻器提供報(bào)警的同時(shí)，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行，維持機(jī)組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時(shí)，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續(xù)運(yùn)行，減少突然停機(jī)造成的損失，如果變頻器出現(xiàn)3個(gè)以上的故障單元，可自動(dòng)轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行，可保證生產(chǎn)不受影響。 

6監(jiān)控和操作
　　煤氣加壓機(jī)風(fēng)機(jī)在用戶用氣量比較小時(shí)，只需要很低的轉(zhuǎn)速，根本不需要滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行變速運(yùn)行，既保證了供氣安全，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。
　　對(duì)煤氣加壓機(jī)高壓變頻監(jiān)控具體實(shí)現(xiàn)過程如下：變頻器操作可以在本機(jī)控制，也可以遠(yuǎn)程操作。當(dāng)選擇遠(yuǎn)控操作時(shí)，可以有DCS和遠(yuǎn)控箱有兩種操作。變頻器包括一臺(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)(如RS485)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)了系統(tǒng)的靈活性。

現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以通過DCS和遠(yuǎn)控箱對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并監(jiān)控變頻器運(yùn)行狀態(tài)，可以根據(jù)工況需要自由設(shè)定，完全可以滿足工藝要求。

7煤氣加壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制情況

       針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問題，系統(tǒng)優(yōu)化改造主要需解決兩方面的問題：第一，在滿足用戶需要用氣量要求的基礎(chǔ)上盡可能減少排量損失；第二，在滿足煤氣壓力的前提下盡可能減少泵管壓差，即減少壓力損失。系統(tǒng)優(yōu)化擬從動(dòng)能和勢(shì)能兩方面同時(shí)入手，盡可能降低能耗、提高系統(tǒng)效率。

現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖4所示。

圖4  現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)構(gòu)成框圖

系統(tǒng)閉環(huán)控制過程如下：由智能傳感器對(duì)各運(yùn)行煤氣加壓機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理，即采集和傳輸加壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如：加壓機(jī)的排量Q單、電機(jī)電流I、加壓機(jī)進(jìn)、出口壓力，加壓機(jī)站出口壓力P、總排量Q總等，并將這些控制參數(shù)與其期望值及加壓機(jī)本身的特性曲線進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化計(jì)算。其中，加壓機(jī)站供氣壓力是系統(tǒng)所需監(jiān)測(cè)和控制的最主要參數(shù)。本系統(tǒng)中，在煤氣加壓機(jī)站出口管線上安裝一只高可靠性壓力傳感器，將實(shí)測(cè)的壓力信號(hào)與系統(tǒng)的期望值相比，并將其差值送往DCS監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行比例和積分運(yùn)算，最后將輸出結(jié)果送給高壓變頻器，DCS監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出頻率從而控制煤氣加壓機(jī)的轉(zhuǎn)速。由羅茨鼓風(fēng)機(jī)原理知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化可引起相應(yīng)的排量變化，通過頻率的變化以達(dá)到期望的排量值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，將系統(tǒng)實(shí)測(cè)的壓力信號(hào)與供氣要求的壓力期望值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出，保證在期望的壓力下對(duì)外供氣，實(shí)現(xiàn)供氣的自動(dòng)控制。

8 節(jié)能分析

8.1節(jié)能原理

匯豐制氣煤氣加壓機(jī)高壓變頻器投入使用以來，運(yùn)行情況良好，基本達(dá)到預(yù)期的改造目的。在變頻改造前，煤氣加壓機(jī)通過打開回流閥或者放空方式進(jìn)行供氣，這樣無疑會(huì)有一部分能量白白的浪費(fèi)掉，如果采用調(diào)節(jié)加壓機(jī)轉(zhuǎn)速的方式來控制管道恒壓輸送，則既能起到節(jié)能的效果，又改善了控制性能，降低了運(yùn)行噪聲。

根據(jù)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作特性，加壓機(jī)的負(fù)載特性屬于恒轉(zhuǎn)矩，其軸功率與轉(zhuǎn)速的一次方成正比。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高壓變頻器運(yùn)行情況觀察，運(yùn)行頻率一般在25-45Hz之間，節(jié)能效果非常明顯。

8.2系統(tǒng)效率提高，單耗降低

系統(tǒng)通過高壓變頻裝置改造后，煤氣加壓機(jī)滿足了系統(tǒng)的供氣要求，提高了系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)單耗。據(jù)分析計(jì)算，系統(tǒng)改造后供氣單耗平均降低0.015 kW?h/m³，目前每天供氣量平均為636700m³/d，，每kW?h以0.5元計(jì)，則一年可以節(jié)約電費(fèi)為：

636700´365´0.015´0.5=174.2966萬元。

8.3 調(diào)整供氣量，節(jié)約煤氣

由于要求的供氣量的波動(dòng)較大，且一天中變化頻繁。對(duì)該站實(shí)施高壓變頻改造，可根據(jù)站外要求的用氣量靈活調(diào)整站內(nèi)加壓機(jī)的運(yùn)行，使之在滿足系統(tǒng)壓力要求的前提下盡可能減少煤氣的浪費(fèi)。

9結(jié)束語

煤氣加壓機(jī)變頻改造后，除了具有顯著的節(jié)能效果外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)更平滑；有效地改善了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)操作人員非常歡迎；減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。隨著國(guó)家對(duì)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(huì)效益，適應(yīng)了國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的潮流。

作者簡(jiǎn)介：

郭繼杰，男，高級(jí)工程師，電氣總工，供職于唐山市匯豐煉焦制氣廠。   文章聯(lián)系人：郭培彬

胡令芝，男，技術(shù)支持工程師，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司。

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