高压变频器在煤化工行业的应用1

高压变频器在煤化工行业的应用（1）旭阳公司焦炉尾气除尘风机变频节能改造1引言旭阳煤化工集团是全球领先的煤化工产品供应商，集团总部位于北京，核心业务为生产、销售焦炭、焦化产品及深加工煤化工产品。河北旭阳焦化有限公司是旭阳煤化工集团下属子公司，年生产能力200万吨焦化及配套粗苯、焦油、硫铵等。企业2009年全年实现销售收入43亿元，实现利税5.06亿元。河北省旭阳焦化集团焦炉是焦化厂的主要生产设备，也是焦化厂生产过程中最大的污染源之一。焦化厂在生产过程、推焦过程中排放大量温度高、浓度大的有害气体及易扩散的烟尘，对人体危害极大。尤其在焦炉炉顶大气中苯可溶物严重超标，焦炉工作区粉尘浓度也超标，严重危及职工的身体健康按照我国1996年颁布的大气污染物综合排放标准（GB16297一1996），对烟气必须冷却、净化，由引风机将其排至烟囱放散或输送到煤气回收系统中备用。因此，每座焦炉需配有一套除尘系统。一期工程的地面除尘站使用的是一台630kW/10kV的高压电机拖动风机，抽取前级焦炉出焦时产生的焦炉烟气和灰尘，吸收的烟尘和气体进入除尘站的布袋除尘器滤除粉尘和有害物质以后，高温气体经高炉排放到空气中。除尘系统风机型号AI850。由于焦炉周期性间断推焦，为满足节能和环保要求，要求风机在整个炼焦工作周期内变速运行，推焦时高速运行，不推焦时低速运行。原系统采用液力偶合器调速，高速800rpm，低速600rpm。经过一段时间的运行，发现液力偶合器技术存在着局限性，主要表现在：1）调速范围在40%95%之间，转速不稳定；造成能源浪费。2）液力偶合器本身包含油路，水路等多套系统，故障率高，液力偶合器一旦故障，只能停机维修，无法切换至工频旁路运行，造成焦炉停产，不能满足连续生产的需要。3）液力偶合器在调速越低时效率越低，调速的节能效果大打折扣。4）调节精度低、线性度差，响应慢。5）电机仍然为直接启动，需要启动装置，启动冲击也大，并且不能频繁启动。随着高压变频器应用的越来越普遍，高压变频器的性价比越来越高，相比液力偶合器变频器具有以下优点：1）高压变频器调速范围大，精度高，调速范围为0-100%。2）高压变频器是高科技产品，可靠性高，基本免维护，万一变频器故障，电机还可以直接挂电网工频运行，不会造成生产损失。3）高压变频器在整个调速范围内都具有较高的效率（大于96%）。4）高压变频器对电机及负载机械实现真正的软启动，如果工艺需要，电机可以在短时间内多次重复启动。5）高压变频器不会因为电机速度的高低而增加成本，而低速大容量的电机用液力偶合器调速，成本将大大增加，有些时候甚至无法实现。鉴于此，在2009年节能改造工作中，焦化厂领导决定对地面除尘站除尘风机（一期工程）进行改造，经多方考察，采用高压变频器对除尘风机进行调速。2高压变频器技术改造方案除尘风机是除尘净化系统的动力中枢，一旦除尘风机不能正常运行，不但影响生产,还有可能威胁到现场生产人员的人身安全；另外，调速系统工作的环境比较恶劣；同时焦炉又周期性间断推焦；所以，和除尘风机配套的高压调速系统方案应周密细致，经过双方技术人员的合作，制定了一期工程除尘风机的技术改造方案。改造方案如下:2.1设备配置风光高压变频调速系统由一次回路进线柜（旁路柜）、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电机投入到工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。高压变频器旁路柜一次回路如图所示。DL:用户高压真空断路器K1、K2、K3:高压变频器内置高压隔离开关BPQ:JD-BP38-630F高压变频器D:630kW/10kV异步电动机。手动旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K3闭合，K2断开时，电机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁，DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。现场控制要求可以远程和本机控制。风机高速运行时，如果变频器出现严重故障，变频器自动停机。远程控制时，通过操作台工频/变频旋钮把电机切换到工频电网运行，当推焦周期结束后，检修变频器。变频器检修完毕后，通过把操作台工频/变频旋钮打到变频位置，返回变频调速状态。本机控制时，通过变频器控制柜工频/变频旋钮把电机切换到工频电网运行，当推焦周期结束后，检修变频器。变频器检修完毕后，通过把变频器工频/变频旋钮打到变频位置，返回变频调速状态。2.2电机及风机参数负戟名称1除尘风机心所带负戟粪型离心図机卫型号YKK托21额定电压（V）-10000额宦电流（A）45额宦功率（twy出2颔走频率CtizJ52功率因数0.85定990討绝缘等级:风机蔘数型号AI&52额定功率（kW）颔定网童hmn：51OOO#1额定转速irpm99(P2.3除尘风机工艺要求除尘风机用于焦炭出焦时除尘使用，该焦炉有3台推焦车，1、2号不能同时推焦，1、2号与3号可能有同时推焦的可能，单炉推焦瞬间风量达到800rpm，两台同时推焦870rpm，并且需要持续80S，不推焦时600rpm就可以。采用变频器改造后，为了节省电能，除尘风机设计为高低速两档运行，不出焦时，风机转速约600rpm;出焦时，风机升速至800rpm（或者870rpm）。具体操作如下：推焦除尘风机平时不出焦时在低速运行（30Hz）。推焦机开始推焦时,推焦杆离开限位推出后给变频器发出高速信号（40Hz），风机启动到高速，待推焦杆退回时经一定延迟时间（40S）给变频器发出降速信号，降为低速（30Hz）。2.4监控和操作除尘风机在不推焦时，只需要很低的转速，根本不需要满负荷运转。利用高压变频器根据实际需要对除尘风机进行变速运行，既改善了工艺，又达到节能降耗的目的和效果。对除尘风机高压变频监控具体实现过程如下：变频器操作可以在本机控制，也可以远程操作。变频器包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号（如RS485）的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。变频器也可由控制室的上位机或操作台进行操作。现场操作人员可以通过上位机或操作台对变频器进行远程操作并监控变频器运行状态，可以根据工况需要自由设定，完全可以满足工艺要求。上位机：可以通过上位机进行远程监控，一方面便于用户随时了解设备运行情况，另一方面，也利于设备的远程诊断和维护，故障问题可以及时得到解决。操作台：可以通过操作台对变频器进行简单的远程操作，包括：工频/变频切换。I2.僉现场节点表2现场所需开关童节点序号名称初10状费逻辑要求接口类型备注*IP控制电源心f脈压配电室给变频器门2护外部高压就绪;输入推常开点卢无遊接点原系统高压配电室给娈频器（斷路器當开点）押联跳同压信昌心常开点心无源接点+变频器提供绐原茶飯咼压配电室（斷路器分闸线圈，高压合闸允许*输出心无遞接点-变頻器提棋给原系蜿高压配电室（断路器合闸线圖*外控开机口输入心常开点心无鴻接点严DCS提供绐变频器a外控停机心输入心常开点心无源接点匸DCS提供绐费频器农外控急停心输入心常闭点4无源接直DCS提供绐变频器祕肿f盼输入J无源接点*DCS提供给变频器输入卩篇开点朴无源接点*DCS提棋给变频器J1W+24TOC共询312邇讯线心DCS与变频器邇讯心3高压变频器技术参数高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。高压变频器为高-高电压源型模式，由移相变压器，功率单元和控制器组成。高压变频器采用48脉冲整流，功率单元每相采用7个功率单元串接组成，三相共21个单元；输出相电压为15电平，输出线电压29电平，功率单元旁路单元采用可控硅作为旁路器件。控制器部分以高速微处理器实现控制以及与子微处理器间进行通信。风光高压变频器采用模块化设计，互换性好、维修简单。JD-BP38-630F高压变频器主要技术参数如下表3所示。表3nBP38-630F咼压变频器主要技术參数变频器*800篌拟量输入心任意设定适配电机功率【咕V）殆g篌拟量输出J两路45V可选心靈定输出电疣（直）4S*3加减遠时间门132(XWS輸入频率Hz）*开关虽输入输出+可按用户要求扩展卩额走输入电压（via10000VC-20%+15%)相运行环境温度+L40度朴输入功率因数f丸虫C=20%负载）单茫存运输温窿4070度卩变频器效率心輙定负靈下刃一9鼾、冷却方式Q强迫凤冷#输出频率范围（Hz）*ggg环境湿度心90%，无凝结输出叢频分辨率t0.01幵关频率UHm10亍oi车续，乃曲討t许t务钟IP伽设备运行情况从2009年10月31日正式投入运行以来，一直正常运转，没有出现故障。总的来说，投入变频器后有以下优点：）运行稳定，安全可靠。原来使用液力偶合器大概60天左右就必须更换轴承，每次需停炉半天左右，带来的巨大的经济损失。JD-BP38系列高压变频器具有免维护的特点，只需定期除尘，不用停机，保证了生产的连续性。现场变频器运行照片如图3所示。1 ）电动机实现了真正的软启动、软停止。避免了启动时对设备的电气和机械冲击，使风机启动平稳。2 ）运行工况改善，工人劳动强度降低。随着焦炉生产除尘的需要，调节风机的转速，进而调节风机风量，满足焦炉生产工艺的需要，现场工作环境大为改善，工作强度大大降低。4）延长了电机、风机的使用寿命，提高了风机的利用效率。原旧焦炉除尘风机在运行过程中，经常造成风机和电机的损坏，维护工作量大，检修费用高，采用变频技术调速后，减少了机械磨损，保证了风机的正常运行。除尘风机的风量经常需要根据工艺的需要变化，在过去液力偶合器调节时，出现执行机构的开度与流量的非线形问题，致使调节失误，采用变频拖动风机可以在050Hz范围内任意调速，调速精度高，可保持在0.10.01Hz范围内工作，便于实现除尘系统自动化控制。5）变频器具有多项保护功能，十分完善。与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升保护等多项保护功能，更精确地保护了电机。6）节能效果显著，大大降低了电耗。5节能分析焦炉除尘风机高压变频器投入使用以来，运行情况良好，基本达到预期的改造目的。除尘风机只有在推焦车推焦的时候需要高速，带动风机高速运行使风机的吸力达到1.5KPa即可满足工艺要求，达到除尘的效果，满足环保要求。根据现场的实际考察，旭阳焦化公司一期的焦炉生产情况是：推焦车每天生产焦炭110炉，每一次往外推焦时都需要除尘风机高速运行，而且每一次推焦持续的时间是80S。焦炉每炉周期10min，80S要求除尘风机转速800rpm（40Hz）或870rpm（43.5Hz），其余时间要求风机转速600rpm（30Hz）。除尘风机高压变频器改造前后，今年和去年同期相比，以吨焦炭电耗来分析节能数据（单位：度/吨焦炭），如表4所示：北厂吨焦炭电耗（单位：鹿吨焦炭）1月心2月护3月心4月36月Q平均屮2009年4.2鼾4”2丹4恥4加4切4”2帀201。年心3.5U3.5(kM4W3.48*3.493.4SM从上表4统计数据看，2009年16月同2010年16月相比较，吨焦炭电耗有较大幅度下降，下降达：18.17%，其中主要的节电是由高压变频器完成的。以焦炭除尘风机消耗电量来分析节能效果，根据旭阳公司生产统计报表，2009年16月同2010年16月相比，焦化厂2009年上半年焦炭产量为438020吨，2010年上半年焦炭产量为439334吨，产量基本相同，从上表4统计数据看，2009年16月同2010年16月相比较，吨焦炭电耗有较大幅度下降，下降达：18.17%，其中主要的节电是由高压变频器完成的。除尘风机节电率为：(1780720-1193034)/1780720=33%,6个月共节约用电58.7万度，平均每月节约用电9.78万度，年节电量可估算为：9.78X12=117万度。以电价0.45元/度计算，焦化厂一期焦炉除尘风机年节电费：117X0.45=52.65万元。6结束语JD-BP38-630F高压变频器在旭阳焦化公司一期焦炉除尘风机近一年运行情况来看，变频系统满足了焦化厂连续生产的需要，用户非常满意。