產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在活塞式空壓機上的應(yīng)用
1用戶介紹
江西宏宇能源發(fā)展有限公司是湖南省第二大民營企業(yè)——湖南五江集團在江西樟樹市省級鹽化工基地投資興辦的產(chǎn)值超百億的集新能源、新材料、鹽化工、煤化工于一體的新型工業(yè)化循環(huán)經(jīng)濟企業(yè)。該公司現(xiàn)有玻璃公司、深加工公司、焦化公司三個分公司。
焦化公司生產(chǎn)焦炭、煤焦油、粗苯、煤氣、硫銨、硫磺等,年產(chǎn)搗固焦130萬噸。玻璃公司生產(chǎn)超白太陽能玻璃、浮法玻璃、低輻射鍍膜玻璃、可鋼low-e鍍膜玻璃(離線)、鋼化玻璃、中空玻璃。深加工公司利用一次成型的平板玻璃(浮法玻璃、普通引上平板玻璃、平拉玻璃、壓延玻璃)為基本原料,根據(jù)使用要求,采用不同的加工工藝制成的具有特定功能的玻璃產(chǎn)品。
焦化公司在搗固煉焦中產(chǎn)生的焦爐廢氣,經(jīng)脫焦、脫硫、脫苯處理后,煤氣通過空壓機站加壓后供給玻璃公司生產(chǎn)需要。煤氣壓縮機供氣站有4臺活塞式壓縮機,適配電機規(guī)格型號630kW/10kV,額定電流為52.1A,采用2用2備制。根據(jù)玻璃生產(chǎn)工藝需要,煤氣的壓力需控制在一定范圍內(nèi),由于玻璃生產(chǎn)中用氣量負荷有變化,用氣量和壓縮機的排氣量之間很難達到完全平衡,平常一般采用人工調(diào)節(jié)回流閥控制壓力大小,采用這種方法很難保證所需要壓力的穩(wěn)定。如果生產(chǎn)用氣負荷小時需打開回流閥,使氣體反復(fù)壓縮,運行效率低,浪費大量電能。因此,為了降低成本,對活塞式壓縮機系統(tǒng)進行變頻技術(shù)改造是非常有必要的。
公司領(lǐng)導(dǎo)通過綜合調(diào)研和考慮,選用了新風(fēng)光電子公司JD-BP38-800F(800kW/10kV)型號的高壓變頻器2臺,對空氣壓縮機進行節(jié)能改造,改造達到了預(yù)期目的。
2高壓變頻器技術(shù)改造方案
煤氣加壓機是玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)的動力中樞,一旦煤氣加壓機不能正常運行,直接影響玻璃公司生產(chǎn)的正常進行;另外,調(diào)速系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣;所以,和煤氣加壓機配套的高壓調(diào)速系統(tǒng)方案應(yīng)周密細致,經(jīng)過雙方技術(shù)人員的合作,制定了煤氣加壓機的技術(shù)改造方案。
2.1 設(shè)備配置
煤氣加壓機系統(tǒng)有1#、2#、3#、4#壓縮機,高壓變頻器采用“一拖二”控制,配備手動旁路柜。1#、2#壓縮機共用1#高壓變頻器,3#、4#壓縮機共用2#高壓變頻器,以1#、2#壓縮機共用1#高壓變頻器為例說明控制過程,其系統(tǒng)接線圖路如圖1所示,通過切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器切換到要運行的壓縮機上去。1#高壓變頻器可拖動1#壓縮機變頻運行,也可通過切換拖動2#壓縮機變頻運行。兩壓縮機電動機均具備工頻旁路功能。
圖1高壓變頻一次系統(tǒng)接線圖
QF1和QF2分別為現(xiàn)場1#和2#壓縮機電源高壓斷路器;
QS11和QS21分別為1#、2#壓縮機電源高壓隔離開關(guān);
QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān);
高壓變頻器旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關(guān),變頻器運行時,要求QS11和QS21同時閉合。QS12閉合,QS22斷開,QS13斷開,1#壓縮機變頻運行;QS12斷開,QS13閉合,1#壓縮機工頻運行;QS22閉合,QS12斷開,QS23斷開,2#壓縮機變頻運行;QS22斷開,QS23閉合,2#壓縮機工頻運行;其中,QS12與QS13、QS22實現(xiàn)電氣互鎖,QS22與QS23、QS12實現(xiàn)電氣互鎖;將控制柜“遠控/本控”開關(guān)打至“遠控”位置,將相應(yīng)壓縮機斷路器“就地/遠方”開關(guān)打至“遠方”位置,可實現(xiàn)壓縮機的遠控操作。
2.2 壓力閉環(huán)系統(tǒng)原理、PID設(shè)定
由于玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)對供氣負荷需要在實際運行時進行實時調(diào)整,因此采用的是壓力閉環(huán)控制,其工作原理如圖2所示,測量元件為壓力傳感器,將它設(shè)在煤氣壓力儲氣罐上,Vi為煤氣需要恒壓設(shè)定值,供氣壓力V作為輸出量,構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器內(nèi)部的PLC采集供氣壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算,通過PID進行調(diào)整,將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器,直至達到供氣壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供氣流量如何變化,供氣壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
圖2壓力閉環(huán)供氣原理框圖
(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。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,那么該回路為反作用回路。本變頻器P設(shè)定為0.30。
(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供氣系統(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5.0。
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參數(shù)PID結(jié)構(gòu)選擇2,比例+積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用,完全可以滿足供氣系統(tǒng)的供氣壓力恒定要求,不需要設(shè)定微分參數(shù)。
3風(fēng)光牌JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)
新風(fēng)光公司是國家高新技術(shù)企業(yè),JD-BP38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),其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準,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。
風(fēng)光牌高壓變頻器為高--高電壓源型模式,由移相變壓器,功率單元和控制器組成。JD-BP38-800F高壓變頻器采用48脈沖整流,功率單元每相采用7個功率單元串接組成,三相共21個單元;輸出相電壓為15電平,輸出線電壓29電平,功率單元旁路單元采用可控硅作為旁路器件。控制器部分以高速微處理器實現(xiàn)控制以及與子微處理器間進行通信。風(fēng)光高壓變頻器采用模塊化設(shè)計,互換性好、維修簡單。JD-BP38-800F高壓變頻器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1JD-BP38-800F高壓變頻器主要技術(shù)參數(shù) | |||
變頻器容量(kVA) | 1000 | 模擬量輸入 | 0~5V/4~20mA,任意設(shè)定 |
適配電機功率(kW) | 800 | 模擬量輸出 | 兩路0~5V/4~20mA可選 |
額定輸出電流(A) | 57.7 | 加減速時間 | 1—32000S |
輸入頻率(Hz) | 45~55 | 開關(guān)量輸入輸出 | 可按用戶要求擴展 |
額定輸入電壓(V) | 10000V(-20%—+15%) | 運行環(huán)境溫度 | 0~40度 |
輸入功率因數(shù) | >0.96(>20%負載) | 貯存/運輸溫度 | -20~70度 |
變頻器效率 | 額定負載下>0.98 | 冷卻方式 | 強迫風(fēng)冷 |
輸出頻率范圍(Hz) | 0~80 | 環(huán)境濕度 | <90%,無凝結(jié) |
輸出變頻分辨率(Hz) | 0.01 | 開關(guān)頻率(kHz) | 可設(shè)定 |
過載能力 | 105%連續(xù), 150%允許1分鐘 | 防護等級 | IP30 |
4變頻器調(diào)試情況
4.1現(xiàn)場調(diào)試
現(xiàn)場風(fēng)機負載為活塞式煤氣壓縮機,現(xiàn)場有4臺電機,2用2備,未采用變頻時,2臺工頻同時運行,通過管道并入一主管道,主管道壓力變送器楊程為:0-200Kpa,平時工作壓力為160Kpa。當(dāng)超過220Kpa時,一臺電機跳閘,現(xiàn)場通過手動復(fù)位再開啟。平時通過空壓機的旁路來卸壓。
采用變頻時,采用一臺工頻一臺變頻運行,變頻器為壓力閉環(huán)控制,壓力為儲氣罐的壓力。變頻器啟動時,另外一臺工頻是正常運行的。變頻器是帶載啟動,啟動方式選擇VF曲線方式,此時變頻器報硬件過流。把變頻器所帶負載旁路打開,輸出閥門關(guān)閉,開機正常,頻率到27Hz時電流最大為52A左右。運行到50Hz,把負載旁路關(guān)閉,輸出閥門打開。當(dāng)給定的壓力超過設(shè)定值時,變頻器降頻,到31Hz左右時變頻器報軟件過流,故障時觸摸屏顯示輸出電流為55A左右。降到31Hz保護時,壓力沒有降下來,試驗多次均為同一現(xiàn)象。把下限頻率設(shè)為35Hz,把工頻運行的旁路打開30%左右卸壓,變頻器能在35Hz到50Hz之間運行,壓力也能在正常范圍。35Hz時電流為52A左右,50Hz時為電流為47A左右。
根據(jù)生產(chǎn)要求,高壓變頻器要能帶載啟動,高壓變頻器要求能在25Hz到50Hz之間正常運行,實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。
4.2問題解決
活塞往復(fù)式空氣壓縮機負載比較特殊,低頻啟動及運行均不易穩(wěn)定,尤其是帶壓啟動困難,現(xiàn)場設(shè)定普通VF方式難以適應(yīng)壓縮機帶載啟動,壓縮機啟動需要大啟動力矩。經(jīng)分析討論,認為需使用矢量控制方式,解決啟動問題。于是,設(shè)置變頻器功能參數(shù)為矢量控制使能開啟模式,首先將電機負載脫開,進行在空載情況下進行矢量辨識。
得到的參數(shù)辨識如表2所示。
表2 參數(shù)辨識表 | |||||
定在電阻 | 轉(zhuǎn)子電阻 | 漏感 | 互感 | 空載電流 | |
一次辨識 | 1.893Ω | 5.162Ω | 0.0527H | 0.7687H | 22.36A |
二次辨識 | 1.902Ω | 5.157Ω | 0.0527H | 0.7674H | 22.40A |
實際使用值 | 1.700Ω | 3.35Ω | 0.0527H | 0.7675H | 24.00A |
參數(shù)辨識完畢后按照上表進行填寫電機參數(shù),然后使用矢量控制進行運行空電機,電機運行正常。將循環(huán)閥門全開,變頻器運行,相當(dāng)于具有很小的負載運行。運行電流29A。運行正常,電流存在周期性波動,和現(xiàn)場的往復(fù)機械運動的周期有關(guān)。
現(xiàn)場正常運行壓力為160kpa,變頻器開機運行到48Hz,現(xiàn)場人員調(diào)整壓力至210-220kpa,輸出電流47.3A,運行穩(wěn)定。調(diào)整頻率至20Hz,運行穩(wěn)定,輸出電流為46.9A。雖然壓縮機啟動電流波動大,現(xiàn)場帶載可以正常啟動正常。矢量控制可以提供足夠的力矩啟動負載。采用無感矢量控制解決了現(xiàn)場帶載啟動難題,滿足了25Hz到50Hz之間可以正常運行的需求,實現(xiàn)了煤氣壓力閉環(huán)自動控制。
5變頻器運行情況
為了不影響玻璃正常生產(chǎn),利用玻璃廠生產(chǎn)間隙,對煤氣加壓機進行了變頻改造。2016年11月初,正式投入生產(chǎn),至今運行正常,改造達到了預(yù)期的效果,實施變頻改造后,煤氣加壓機電機電流明顯下降,煤氣加壓機實現(xiàn)了軟起動,極大地減輕了設(shè)備起動時對供配電系統(tǒng)的沖擊。
5.1節(jié)電效果
以1#高壓變頻器拖動1#煤氣加壓機運行,同時運行3#煤氣加壓機工頻為例,記錄1#變頻器運行數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 1#高壓變頻器運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計 | ||||||
運行時間 | 運行壓力 | 運行頻率Hz | 輸入電流A | 輸出電流A | 輸入電壓V | 輸出電壓 |
5:30-9:30 | 0.16MPa | 34.33 | 25.40 | 45.3 | 10.4 | 6.93 |
9:30-16:30 | 0.16MPa | 35.74 | 26.44 | 45.7 | 10.4 | 7.22 |
16:30- 22:30 | 0.16MPa | 35.86 | 26.53 | 45.7 | 10.4 | 7.24 |
22:30-5:30 | 0.16 MPa | 36 | 26.64 | 45.8 | 10.4 | 7.27 |
通過上表可以看出,變頻器改造后,煤氣加壓機電流大大減小。經(jīng)過廠能源利用監(jiān)測中心測試,節(jié)電率達28.29%。
5.2其他效果
(1)維護量減少。采用變頻調(diào)速后,大部分時間里,煤氣加壓機的運行轉(zhuǎn)速大大低于額定轉(zhuǎn)速。由于煤氣加壓機啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低,減少了煤氣加壓機的零部件密封、軸承的磨損,相應(yīng)地延長了煤氣加壓機的壽命。
(2)工作強度降低。采用變頻調(diào)速壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)就不用調(diào)節(jié)回流閥,操作工作由動手轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?、監(jiān)控,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)煤氣加壓機控制系統(tǒng)自動化管理。
6 結(jié)束語
綜合看來,江西宏宇能源發(fā)展有限公司煤氣加壓機采用新風(fēng)光公司高壓變頻器進行改造,大大提高煤氣加壓機系統(tǒng)的運行效率,降低了玻璃的生產(chǎn)成本,對保證煤氣加壓系統(tǒng)的安全正常運行起著重要的作用。