高压变频器在煤气加压机上的应用

1.项目简介

三联煤电化工是一家集煤炭深加工及发电为一体的综合性公司。焦化公司为其下属的一个分公司，焦化公司有一条年产60万吨焦炭的炼焦生产线，其主要产出为焦炭、焦油及煤气。煤气主要供给后面的电厂发电用。在焦化公司与电厂之间传输煤气用的两台煤气加压机，其主要功能是把焦化公司的焦炉产出的煤气经过风机吸收后，经过加压、通过管道输送给电厂锅炉作为燃气发电。煤气加压机前级为焦捕柜，焦化炉产出的煤气含有较多的焦油。焦捕柜的作用是把煤气中含有的焦油吸收掉。其生产流程图如图1所示。

2现场设备介绍 焦化厂配有两台煤气加压机，该设备为煤气加压系统中并联使用，正常情况下一用一备。煤气加压机选用的风机为罗茨风机，罗茨风机相比于离心风机有两个主要特点：（1）启动时进风门和出风门必须完全打开，（2）进风口进入罗茨风机的气体必须完全打出去。这两台煤气加压机的具体参数如表1、表2所示。

        该设备由于输送的是煤气，煤气中不可避免的含有一些焦油。罗茨风机由于长期运行以后粘附有很多焦油，增加了设备的阻力。另外罗茨风机为风门全开的情况下启动，而且焦油在较冷的情况下阻力更大，所以罗茨风机为典型的重载启动负载。         原系统6kV高压断路器直接送到电机，没有其他软起设备，高压电机与罗茨风机直接用靠背轮连接。该设备由于是重载启动，并且焦油冷态时阻力很大，所以直接启动时启动电流大，容易造成断路器跳闸，需要多次合闸才能启动。并且启动前还需要给罗茨风机打高温蒸汽加热。另外直接启动有可能影响罗茨风机内部气隙。由于罗茨风机选型偏大，电厂往往不需要罗茨风机满负荷运转，这样风机只好打开回流阀，造成风机运行效率低下，浪费严重，厂领导为了提高煤气加压机的运行效率，经研究决定改造该设备，增加两套软起设备，兼具有调速功能。         工厂中用于电动机的软启动设备，常用的做法有串水阻启动、串电抗启动、星三角启动、转子串电阻启动、软启动器降压启动和变频启动等。现分别简要叙述如下： （1）串水阻启动、串电抗启动和星三角启动：启动转矩小，不能满足重负荷启动要求，不能连续启动，不能调速。 （2）转子串电阻：由于该电机为防爆电机，无抽头，不能采用此种启动方式。 （3）液力耦合器：能满足启动要求，也能达到调速要求，但是投资大，调速效率低，维护费用高。 （4）软启动器：不能满足重负荷启动要求，不能连续启动，不能调速。 （5）变频调速以启动转矩大、启动电流小、调速精度高、功能强、可靠性高，操作方便，便于通讯等功能优于以往的传统调速方式，是性能最优的软启动方案。         综合上述比较，通过招标方式，厂领导决定采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37系列（6kV）高压变频器作为改造项目的适用设备，改造取得了成功。 3风光公司JD-BP37系列高压变频调速系统技术特点         风光牌JD-BP37系列高压变频器以高速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，属高-高电压源型变频器，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。2007年，高压变频器被评为中国名牌产品。具体来说，风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外，还具有以下突出特点： (1)采用高速DSP作为中央处理器，运算速度更快，控制更精准。 (2)飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。 (3)完整的工频/变频自动互切技术。现在的高压变频调速系统一般设置工频旁路切换柜，变频器发生故障时能使高压电机转至工频运行，旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式，手动旁路需人工操作，适应于无备用装置或不重要的运行工况，自动旁路可在变频器发生故障后直接自动转换至工频运行。新风光公司提供的自动旁路切换柜，不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态，还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频运行的功能，整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。 (4)旋转中再启动功能。运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。 (5)线电压自动均衡技术（星点漂移技术）。变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。 (6)单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。 (7)单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高1倍。 (8) 散热结构设计合理，单元串联多重化并联结构，IGBT承受的电压较低，可以有较宽的过压范围(≥1.15Ue)，设备可靠性更高。 (9) 具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。 (10) 限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数。 (11) 故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。 4变频改造控制方案        为了保证煤气加压系统的可靠性，变频器装置采用自动转换工频方式，当变频器发生故障，停止运行时，电机可以自动切换到工频下运行，这样可以保证煤气加压机的供气要求，提高了整个系统的安全稳定性。        煤气加压机变频系统具有如下特点：为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以使用UPS继续运行，不会停机；在现场速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运行，维持机组的工况不变；变频器配置单元旁路功能，在局部故障时，变频器可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失，如果变频器出现3个以上的故障单元，可自动转工频运行，可保证生产不受影响。 5变频控制自动旁路柜        280kW煤气加压机选用JD-BP37-315F（315kW）高压变频器，250kW煤气加压机选用JD-BP37-280F（280kW）高压变频器，两台煤气加压机旁路柜均采用自动转换工频方式。 改造后提供的旁路方案如下：        旁路柜在变频器进、出线端增加了两个隔离刀闸，以便在变频器退出而电机运行于旁路时，能安全地进行变频器的故障处理或维护工作。        自动旁路柜主回路如图2所示。KM2与KM3实现电气互锁，当KM1、KM2闭合，KM3断开时，电机变频运行；当KM1、KM2断开，KM3闭合时，电机工频运行。另外，KM1闭合时，K1操作手柄被锁死，不能操作；KM2闭合时，K2操作手柄被锁死，不能操作。

        电机工频运行时，若需对变频器进行故障处理或维护，切记在KM1、KM2分闸状态下，将隔离刀闸K1和K2断开。         合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号串联于KM1、KM2合闸回路。在变频器故障或不就绪时，真空接触器KM1、KM2合闸不允许；在KM1、KM2合闸状态下，若变频器出现故障，则“合闸允许”断开，KM1、KM2跳闸，分断变频器高压输入电源。         旁路投入：将变频器“旁路投入”信号并联于KM3合闸回路。变频运行状态下，若变频器出现故障且自动投入允许，或者需要将电机从变频投入到工频状态运行（按下“工频投切”按钮），系统将首先分断变频器高压输入、输出开关KM1和KM2，经过一定延时后，“旁路投入”闭合，即工频旁路KM3合闸，电机投入电网工频运行。 6 调试中注意的问题         原系统改为变频调速系统以后，有一些问题需要重新设定。如：放散阀的压力设定，未改造前的原工频运行，放散阀的压力为6kPa，也就是当罗茨风机后级的气压达到6kPa以上时，才开启放散阀，排泄出多余的煤气。由于罗茨风机的工作特点，必须把进风阀门进入的气体完全打出去，当后级的气压接近6kPa时，罗茨风机负荷较重，电机电流已经超过额定值较多，因为电动机的过载能力较强，且断路器的保护电流较大，后级气压高时，工频运行时一般不会跳闸。改造后变频的过载能力较弱，变频器的过载能力为1.5倍额定电流60s，这样就要求后级的放散阀压力应稍低一些，经过与客户沟通后，建议放散压力为3～4kPa左右。这样煤气加压系统可以进一步降低消耗。         改造后，高压变频器参数设定，由于是重载启动，需要低频时增加转矩补偿，停车时用户要求自由停车等，设定参数如表3所示：

7 变频改造后设备运行情况 煤气加压机变频改造后，2011年9月15日，两套高压变频器一次性投入生产，至今运行正常。经过测试，系统达到了预期的效果。煤气加压机变频改造后，风机电机输入电流有明显下降，设备实现了软起动，改善了煤气加压设备的运行工况，极大地减轻了设备起动时对供配电系统的冲击。改造效果是非常明显的。 7.1节能情况 改造前工频：280kW、250kW煤气加压机平均运行电流25A，电网电压取6.1kV，功率因数为0.8。平均每小时消耗功率为：

7.2 间接效益 （1）变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。 （2）有效地改善了现场运行环境，由于电机以及负载转速下降，大大降低了设备噪声污染，现场操作人员非常欢迎。 （3）功率因数提高到0.95以上，减少了线路损耗。 （4）减少了维护工作量和维护费用，延长了设备的使用寿命。 采用变频技术调速后，设备随生产工艺变速运行，大大降低了设备负荷率，延长了风机、电机等设备的使用寿命。 （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）调速范围宽，调速精度高。 采用变频拖动风机可以在0～50Hz范围内任意调节，调节精度高，调节频率波动可保持在0.1～0.01Hz范围内，便于实现风机系统自动化控制。 8 结束语        经过变频改造后，煤气加压机实现软起软停，不仅大大降低了工作人员的劳动强度，而且使整个工艺流程更稳定，达到了较好的节能效果。随着国家对节能减排工作的越来越重视，企业通过各种措施降低生产成本，其中变频技术起到了关键作用，取得了明显的经济效益和社会效益，适应了国家建设资源节约型社会的潮流。 参考文献 山东新风光电子使用手册[Z] 山东新风光电子科技发展有限公司。 作者简介： 马 杰，男，高级工程师，供职于三联煤电化工有限责任公司。 胡令芝，男，技术支持工程师，供职于山东新风光电子科技发展有限公司。