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中的應(yīng)用情況。通過改造，實現(xiàn)了煤氣加壓機的高效運行，達到了節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器  煤氣加壓機  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業(yè)集團有限公司。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)管道運輸?shù)郊訅悍?，?jīng)過煤氣加壓機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，浪費嚴(yán)重。為此，公司新建一個五萬氣柜項目，目的是把煉焦生產(chǎn)過程中產(chǎn)出的精煤氣儲存后輸送到城市煤氣網(wǎng)絡(luò)，增加公司的收益，減少浪費。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，多余的煤氣儲存到煤氣柜里。當(dāng)用戶需氣量大于焦?fàn)t生產(chǎn)氣量時，從煤氣柜里抽取煤氣作為補充。加壓站由10臺羅茨鼓風(fēng)機構(gòu)成。

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

2現(xiàn)場設(shè)備介紹

焦化廠配有10臺煤氣加壓機，該煤氣加壓設(shè)備為并聯(lián)使用，煤氣管道分六路對外供氣。正常情況下七用三備。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）啟動時進風(fēng)門和出風(fēng)門必須完全打開，（2）進風(fēng)口進入羅茨風(fēng)機的氣體必須完全打出去，當(dāng)用氣量較小時，采取放空或者打回流處理措施，造成浪費。此次改造的煤氣加壓機為1#、2#、3#、7#、8#、10#，這六臺煤氣加壓機的具體參數(shù)如表1所示。

由于羅茨風(fēng)機選型偏大，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，或者采取放空處理，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

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)遠小于IEE519-1992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。2007年，高壓變頻器被評為中國名牌產(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：        

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準(zhǔn)。

(2)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。

(3)完整的工頻/變頻自動互切技術(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)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運行的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運行造成任何影響。

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

(5)線電壓自動均衡技術(shù)（星點漂移技術(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：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人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。

(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，最大限度減少停機次數(shù)。

(11) 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時，可自動復(fù)位，繼續(xù)運行。

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，提供驅(qū)動電壓。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)場工藝要求還可選配旁路柜，上位機，遠控盒，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、人機界面、控制電源開關(guān)、開關(guān)電源、繼電器、避雷器、信號隔離器、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)生每相各級功率單元的控制信號，同時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，運行速度可以達到150MIPS，足夠完成一些較復(fù)雜的控制算法。同時其有6路獨立的PWM輸出、2個異步串行通訊口、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，屬于純在線式，當(dāng)外部提供的控制電源220VAC正常時，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，利用設(shè)計的電源冗余系統(tǒng)，相應(yīng)的控制電繼電器動作，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，同時變頻器給出報警信號，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實現(xiàn)內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。對開關(guān)量的數(shù)量不能滿足要求時，可以用數(shù)字量擴展模塊來實現(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。每個功率單元都相當(dāng)于一臺交-直-交電壓型單相低壓變頻器。每個功率單元由H橋構(gòu)成，輸出一組SPWM波，每相8個單元，通過疊加輸出一組17個電平的正弦波；同一相中的每個功率單元的采樣頻率一致，用同一個載波進行調(diào)制，載波相差1/N個采樣周期。

當(dāng)功率單元出現(xiàn)過流、過壓故障時，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現(xiàn)將該單元旁路。

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

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#煤氣加壓機采用4用2備。當(dāng)變頻器發(fā)生故障，停止運行時，備用加壓機馬上投入運行，這樣可以保證煤氣加壓機的供氣要求，提高了整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

煤氣加壓機變頻系統(tǒng)具有如下特點：為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，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)運行，不會停機；在現(xiàn)場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行，維持機組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續(xù)運行，減少突然停機造成的損失，如果變頻器出現(xiàn)3個以上的故障單元，可自動轉(zhuǎn)工頻運行，可保證生產(chǎn)不受影響。 

6監(jiān)控和操作
　　煤氣加壓機風(fēng)機在用戶用氣量比較小時，只需要很低的轉(zhuǎn)速，根本不需要滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)。利用高壓變頻器根據(jù)實際需要對羅茨風(fēng)機進行變速運行，既保證了供氣安全，又達到節(jié)能降耗的目的和效果。
　　對煤氣加壓機高壓變頻監(jiān)控具體實現(xiàn)過程如下：變頻器操作可以在本機控制，也可以遠程操作。當(dāng)選擇遠控操作時，可以有DCS和遠控箱有兩種操作。變頻器包括一臺內(nèi)置的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RS485)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。

現(xiàn)場操作人員可以通過DCS和遠控箱對變頻器進行遠程操作并監(jiān)控變頻器運行狀態(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煤氣加壓機現(xiàn)場控制情況

       針對現(xiàn)場存在的問題，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)化擬從動能和勢能兩方面同時入手，盡可能降低能耗、提高系統(tǒng)效率。

現(xiàn)場的系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖4所示。

圖4  現(xiàn)場系統(tǒng)構(gòu)成框圖

系統(tǒng)閉環(huán)控制過程如下：由智能傳感器對各運行煤氣加壓機進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理，即采集和傳輸加壓機的運行參數(shù)，如：加壓機的排量Q單、電機電流I、加壓機進、出口壓力，加壓機站出口壓力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本身的特性曲線進行對比和優(yōu)化計算。其中，加壓機站供氣壓力是系統(tǒng)所需監(jiān)測和控制的最主要參數(shù)。本系統(tǒng)中，在煤氣加壓機站出口管線上安裝一只高可靠性壓力傳感器，將實測的壓力信號與系統(tǒng)的期望值相比，并將其差值送往DCS監(jiān)控系統(tǒng)進行比例和積分運算，最后將輸出結(jié)果送給高壓變頻器，DCS監(jiān)控系統(tǒng)自動調(diào)整高壓變頻器的輸出頻率從而控制煤氣加壓機的轉(zhuǎn)速。由羅茨鼓風(fēng)機原理知，風(fēng)機轉(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到期望的排量值。系統(tǒng)設(shè)計為閉環(huán)控制系統(tǒng)，將系統(tǒng)實測的壓力信號與供氣要求的壓力期望值進行PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出，保證在期望的壓力下對外供氣，實現(xiàn)供氣的自動控制。

8 節(jié)能分析

8.1節(jié)能原理

匯豐制氣煤氣加壓機高壓變頻器投入使用以來，運行情況良好，基本達到預(yù)期的改造目的。在變頻改造前，煤氣加壓機通過打開回流閥或者放空方式進行供氣，這樣無疑會有一部分能量白白的浪費掉，如果采用調(diào)節(jié)加壓機轉(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，降低了運行噪聲。

根據(jù)羅茨鼓風(fēng)機的工作特性，加壓機的負(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)場高壓變頻器運行情況觀察，運行頻率一般在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，則一年可以節(jié)約電費為：

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較大，且一天中變化頻繁。對該站實施高壓變頻改造，可根據(jù)站外要求的用氣量靈活調(diào)整站內(nèi)加壓機的運行，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。

9結(jié)束語

煤氣加壓機變頻改造后，除了具有顯著的節(jié)能效果外，還有以下優(yōu)點：實現(xiàn)電機軟啟動，啟動更平滑；有效地改善了現(xiàn)場運行環(huán)境，現(xiàn)場操作人員非常歡迎；減少了維護工作量和維護費用，延長了設(shè)備的使用壽命。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。

作者簡介：

郭繼杰，男，高級工程師，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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