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光電子科技發(fā)展有限公司生產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品：焦炭、硫胺、煤氣、苯等化工產品。制氣公司焦爐焦化過程中產生的粗煤氣經過捕焦油、脫硫、脫苯等，變成合乎要求的精煤氣，精煤氣經管道運輸到加壓房，經過煤氣加壓機增壓后供給用戶使用。

公司原有三條焦爐生產線，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，2010年匯豐煉焦制氣廠新建一條焦爐生產線，供給黑貓?zhí)亢诠臼褂茫律a線生產的煤氣管道沒有與原系統(tǒng)管道聯(lián)網，產生煤氣目前只能部分使用，大部分都排放到大氣中，浪費嚴重。為此，公司新建一個五萬氣柜項目，目的是把煉焦生產過程中產出的精煤氣儲存后輸送到城市煤氣網絡，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、管道等構成。5萬立方米煤氣柜的作用是：煤氣柜作為緩沖使用，焦爐生產的煤氣多于用戶使用量時，多余的煤氣儲存到煤氣柜里。當用戶需氣量大于焦爐生產氣量時，從煤氣柜里抽取煤氣作為補充。加壓站由10臺羅茨鼓風機構成。

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動的話，用氣量無法調節(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的用氣量也隨著生產的需要而隨時變化，這樣它的用氣量也需要隨時調節(jié)。

2現(xiàn)場設備介紹

焦化廠配有10臺煤氣加壓機，該煤氣加壓設備為并聯(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，當用氣量較小時，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如表1所示。

由于羅茨風機選型偏大，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，或者采取放空處理，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，經研究決定采用高壓變頻器改造該設備。

通過招標方式，廠領導選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的JD-BP38系列（10kV）6套高壓變頻器作為改造項目的適用設備，改造取得了成功。

3風光JD-BP38系列高壓變頻調速系統(tǒng)技術特點

風光牌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、功率單元串聯(lián)多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEE519-1992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(fā)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。

(2)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。

(3)完整的工頻/變頻自動互切技術?，F(xiàn)在的高壓變頻調速系統(tǒng)一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，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換至工頻運行。新風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換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。

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

(5)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。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通過調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。

(8) 散熱結構設計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue)，設備可靠性更高。

(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(fā)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(fā)生。

(10) 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。

(11) 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(xù)運行。

4風光JD-BP38系列高壓變頻調速系統(tǒng)介紹

4.1總體結構

采用直接高壓變頻電路結構，功率單元多重化連接，直接輸出到高壓電機，提供驅動電壓。從物理結構上分為控制柜，功率柜，變壓器柜三大部分，根據現(xiàn)場工藝要求還可選配旁路柜，上位機，遠控盒，結構如圖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、開關電源、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成，控制柜主要構成部分介紹如下。

（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，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，當外部電源掉電時，利用設計的電源冗余系統(tǒng)，相應的控制電繼電器動作，轉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，用戶應盡快恢復控制電源。

（3）內置PLC

變頻器通過內置PLC實現(xiàn)內部開關信號以及現(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)場應用的靈活性。對開關量的數量不能滿足要求時，可以用數字量擴展模塊來實現(xiàn)。PLC作為一種技術成熟的工業(yè)控制元件，為變頻器的現(xiàn)場應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)標準接口如圖2所示：

圖2 高壓變頻器的控制系統(tǒng)標準接口圖

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，也是構成高壓變頻器主回路的主要部分。每個功率單元都相當于一臺交-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制，載波相差1/N個采樣周期。

當功率單元出現(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機，選擇德國EBM的風機，由移相變壓器二次檢測繞組220V供電，通過斷路器由PLC控制功率柜風機的啟動，當變頻器啟動頻率運行時，風機啟動。

4.4 變壓器柜

變壓器柜主要由移相變壓器、溫控儀、冷卻風機等部件構成。

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，可自動轉工頻運行，可保證生產不受影響。 

6監(jiān)控和操作
　　煤氣加壓機風機在用戶用氣量比較小時，只需要很低的轉速，根本不需要滿負荷運轉。利用高壓變頻器根據實際需要對羅茨風機進行變速運行，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。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS485)的協(xié)調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，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)，可以根據工況需要自由設定，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)構成框圖如圖4所示。

圖4  現(xiàn)場系統(tǒng)構成框圖

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據監(jiān)控和處理，即采集和傳輸加壓機的運行參數，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。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，最后將輸出結果送給高壓變頻器，DCS監(jiān)控系統(tǒng)自動調整高壓變頻器的輸出頻率從而控制煤氣加壓機的轉速。由羅茨鼓風機原理知，風機轉速的變化可引起相應的排量變化，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調節(jié)，系統(tǒng)及時自動調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，如果采用調節(jié)加壓機轉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。

根據羅茨鼓風機的工作特性，加壓機的負載特性屬于恒轉矩，其軸功率與轉速的一次方成正比。根據現(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，可根據站外要求的用氣量靈活調整站內加壓機的運行，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(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，技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發(fā)展有限公司。

電話：0537-7237007   地址：山東省汶上經濟開發(fā)區(qū)  郵編：272500