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高壓變頻器在活塞式空壓機上的應用

發(fā)布時間:2020-04-18 作者:新風光

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)進行變頻技術改造是非常有必要的,。

公司領導通過綜合調(diào)研和考慮,,選用了新風光電子公司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,,改造達到了預期目的,。

2高壓變頻器技術改造方案

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)方案應周密細致,,經(jīng)過雙方技術人員的合作,制定了煤氣加壓機的技術改造方案,。

2.1 設備配置

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。

1587175038(1).jpg

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;

QS12,、QS22,、QS13、QS23為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關,;

高壓變頻器旁路開關柜用于工/變頻切換,。QS11和QS21為2個高壓隔離開關,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”開關打至“遠控”位置,將相應壓縮機斷路器“就地/遠方”開關打至“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,,將它設在煤氣壓力儲氣罐上,Vi為煤氣需要恒壓設定值,,供氣壓力V作為輸出量,,構成閉環(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。

 1587175254(1).jpg

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,應適當增強積分作用,,以提高控制精度,。本變頻器I設定為5.0。

風光高壓變頻器內(nèi)置PID功能,,其中PID 結(jié)構參數(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,,不需要設定微分參數(shù)。

3風光牌JD-BP38-800F高壓變頻器技術參數(shù)

新風光公司是國家高新技術企業(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、功率單元串聯(lián)多電平技術,,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,??刂破鞑糠忠愿咚傥⑻幚砥鲗崿F(xiàn)控制以及與子微處理器間進行通信。風光高壓變頻器采用模塊化設計,,互換性好,、維修簡單。JD-BP38-800F高壓變頻器主要技術參數(shù)如表1所示,。

表1JD-BP38-800F高壓變頻器主要技術參數(shù)

變頻器容量(kVA)

1000

模擬量輸入

0~5V/4~20mA,,任意設定

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

開關頻率(kHz)

可設定

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。當超過220Kpa時,,一臺電機跳閘,,現(xiàn)場通過手動復位再開啟。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,把負載旁路關閉,,輸出閥門打開,。當給定的壓力超過設定值時,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)場設定普通VF方式難以適應壓縮機帶載啟動,,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)場的往復機械運動的周期有關,。

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
  V

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。