ABB變頻器在新型水煤漿氣化高壓煤漿泵變頻傳動(dòng)中的應(yīng)用

邵長(zhǎng)晶

(兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊 830011)

0 引言

目前，由兗礦集團(tuán)和華東理工大學(xué)共同研究開(kāi)發(fā)的新型水煤漿加壓氣化技術(shù)——多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)已成功應(yīng)用于化工行業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)，在國(guó)內(nèi)已有多家公司使用該技術(shù)。高壓煤漿泵是與新型水煤漿加壓氣化技術(shù)——多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐配套的關(guān)鍵設(shè)備。隨著節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用，變頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，它具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高，起、制動(dòng)平穩(wěn)、可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)。變頻器在風(fēng)機(jī)、水泵等領(lǐng)域取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在化工行業(yè)也發(fā)揮了重要作用。

1 工藝流程

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的工藝流程如下:氣化爐運(yùn)行時(shí)，原料煤經(jīng)過(guò)輸送帶、稱(chēng)量給料機(jī)精確計(jì)量與水及添加劑混合后進(jìn)入磨煤機(jī)，制成合格的煤漿(質(zhì)量百分比濃度≥61%)。煤漿經(jīng)過(guò)濾，貯存在煤漿槽內(nèi)，煤漿槽內(nèi)的煤漿經(jīng)高壓煤漿泵加壓后，經(jīng)過(guò)新型氣化爐的4個(gè)工藝燒嘴與空分來(lái)的氧氣(純度≥99.6%)混合進(jìn)入氣化爐，在氣化爐內(nèi)完成高溫高壓的氣化反應(yīng)過(guò)程，生成合成氣(主要成分是CO和H2)。在此工藝過(guò)程中，高壓煤漿泵是新型水煤漿加壓氣化爐工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行好壞、運(yùn)行可靠性直接影響整個(gè)氣化工藝系統(tǒng)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而直接影響到整個(gè)化工流程的生產(chǎn)，影響到企業(yè)的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益。

2 變頻控制方案

2.1 方案確定

在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)工藝負(fù)載的需要，計(jì)算出拖動(dòng)負(fù)載電機(jī)的容量為200 kW。如果采用單電機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)直接起動(dòng)，在起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)電流大，對(duì)電氣設(shè)備、電纜要求等級(jí)高，這都增加了投資成本。高壓煤漿泵是負(fù)載基本恒定、轉(zhuǎn)速恒定的穩(wěn)速系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是要求速度長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)要求動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間盡可能短。因此，高壓煤漿泵傳動(dòng)系統(tǒng)要求的是高穩(wěn)定性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于存在以上問(wèn)題，通過(guò)多種方案論證，進(jìn)行比較，同時(shí)降低起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中的電流，最后決定采用“一拖一傳動(dòng)”控制方案，即采用1臺(tái)容量為200 kW電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，在傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，由1臺(tái)與電機(jī)額定功率相匹配的變頻器拖動(dòng)該電動(dòng)機(jī)。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)組成及工作原理

傳動(dòng)系統(tǒng)(電氣部分)主要由1臺(tái)變頻器柜(內(nèi)置ABB ACS800－07－0400－3變頻器)、1臺(tái)電源配電柜、1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)就地控制操作箱和1臺(tái)4極200 kW籠型三相異步電機(jī)組成。

操作工發(fā)出起動(dòng)指令，選定變頻器的固定頻率50 Hz，變頻器由0 Hz開(kāi)始加速，通過(guò)調(diào)速后，轉(zhuǎn)速達(dá)到符合工藝要求的速度運(yùn)行。對(duì)高壓煤漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度的控制有自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，手動(dòng)調(diào)速由人工通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作箱上的電位器完成;自動(dòng)調(diào)速由自控DCS DC 4～20 mA模擬信號(hào)完成。由于考慮到控制的安全性問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中采用通過(guò)電纜一對(duì)一信號(hào)傳輸控制，正向運(yùn)行信號(hào)連接到變頻器的DI1輸入點(diǎn)，完成變頻器的起動(dòng)、停車(chē)控制。

3 變頻器的選型

當(dāng)前交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主要為矢量控制(Vector Control，VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)，DTC 交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比VC快的多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，DTC動(dòng)態(tài)控制精度比AC系統(tǒng)高出五個(gè)數(shù)量級(jí)，特別在低速運(yùn)行、電網(wǎng)供電質(zhì)量不好、波形發(fā)生畸變時(shí)，DTC仍然能保持較高的控制精度。目前市面上的變頻器多數(shù)采用VC方式，而ABB變頻器采用DTC方式。因高壓煤漿泵一般都滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，而且要求起動(dòng)力矩大，根據(jù)電機(jī)的容量200 kW，變頻器一般應(yīng)高出一個(gè)規(guī)格。因此在設(shè)計(jì)中選用電壓等級(jí)為400 V的ABB ACS800系列的ACS800－07－0400－3型變頻器，其具有以下功能:采用DTC，可以設(shè)定不同的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在開(kāi)環(huán)和閉環(huán)時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間均小于5 ms，速度的靜態(tài)精度可達(dá)到0.01%，動(dòng)態(tài)精度可達(dá)到0.1%。其力矩階躍上升時(shí)間小于5 ms，比FVC方式至少小一倍，動(dòng)態(tài)控制精度比FVC高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。ABB ACS800－07－0400－3變頻器的功能完全滿(mǎn)足了高壓煤漿泵工藝控制的要求。

4 變頻器的接線

正確連接變頻器的主回路和控制回路的電纜線非常重要。如果主回路和控制回路接線錯(cuò)誤，可能不能完成所設(shè)計(jì)的工作，甚至?xí)龤ё冾l器。尤其是主回路連接更為重要，對(duì)主電路電源輸入端(U1、V1、W1)和主電路輸出端(U2、V2、W2)非常慎重，必須確認(rèn)不能接錯(cuò)。

4.1 變頻器主回路接線

主電路輸入端(U1、V1、W1)，用于接受用戶(hù)的低壓進(jìn)線電源，為三相交流電源;主電路輸出端(U2、V2、W2)，用于輸出連接用戶(hù)的三相交流異步電動(dòng)機(jī);接地端:PE為接地標(biāo)記，用于變頻器外殼與大地相連。制動(dòng)電阻器接到 R－和 R+(UDC+)端子上。制動(dòng)單元接到UDC+(R+)和UDC－端子上。

4.2 變頻器控制回路接線

變頻器控制回路接線相對(duì)簡(jiǎn)單。變頻器控制回路至現(xiàn)場(chǎng)操作箱的控制線包括:VREF+、AI1+、GND來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)電位器的模擬量輸入信號(hào)(調(diào)速信號(hào))。DI1、+24 V、DI2、DI4來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)或DCS起動(dòng)/停機(jī)的模擬量輸入信號(hào)，當(dāng)+24 V和DI4打開(kāi)，且相應(yīng)控制位置是EXTI，控制方式是“手動(dòng)”，DI1、+24 V、DI2來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)起動(dòng)/停機(jī)的模擬量輸入信號(hào)。當(dāng)關(guān)閉+24 V和DI4，控制方式是自動(dòng)，相應(yīng)控制位是 EXTI2，DI1、+24 V、DI4來(lái)自DCS自動(dòng)起動(dòng)/停機(jī)的模擬量輸入信號(hào)?？刂品绞娇梢酝ㄟ^(guò)現(xiàn)場(chǎng)的控制面板上手動(dòng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。DI3、+24 V來(lái)自油泵故障停機(jī)的模擬量輸入信號(hào);DI6、+24 V變頻器故障停機(jī)的模擬量輸入信號(hào)。變頻器控制回路至工藝中控室的DCS儀表信號(hào)線包括:AI2+、AI2－來(lái)自DCS DC 4～20 mA模擬量輸入信號(hào)(調(diào)速信號(hào));AO1+、AO1－去DCS DC 4～20 mA模擬量輸出信號(hào)(電流信號(hào));AO2+、AO2－去DCS DC 4～20 mA模擬量輸出信號(hào)(轉(zhuǎn)速信號(hào))。

5 變頻器的調(diào)試

5.1 變頻器空載通電前的檢查

核對(duì)接線是否正確，尤其注意:主回路端子的連接正確，檢查變頻器電源輸入端子經(jīng)過(guò)空氣開(kāi)關(guān)已接到電源上;檢查直流電抗器連接正確，制動(dòng)單元或制動(dòng)電阻連接正確。檢查變頻器的接地端子已接地;檢查確認(rèn)各端子間和各暴露的帶電部分無(wú)短路和接地現(xiàn)象;確認(rèn)端子連接、插接式連接器和螺釘?shù)染o固無(wú)松動(dòng);確認(rèn)各操作開(kāi)關(guān)均處于斷開(kāi)位置，保證電源投入時(shí)變頻器不會(huì)起動(dòng)或發(fā)生異常動(dòng)作;確認(rèn)電動(dòng)機(jī)未接入。檢查確認(rèn)變頻器銘牌標(biāo)簽的電壓、頻率等級(jí)與電網(wǎng)的是否吻合，無(wú)誤后送電;運(yùn)行變頻器頻率升到50 Hz，測(cè)試變頻器輸出端U、V、W三相輸出電壓平衡;斷電后控制盤(pán)液晶顯示屏完全沒(méi)顯示后，接上電機(jī)線。

5.2 試運(yùn)行

從安全考慮，試運(yùn)行的步驟基本是從空載到負(fù)載逐步進(jìn)行，具體可按以下步驟操作:靜態(tài)檢查、空載運(yùn)行、帶電機(jī)空載運(yùn)行、帶負(fù)載運(yùn)行。

5.3 變頻器基本參數(shù)設(shè)置

以拖動(dòng)高壓煤漿泵電動(dòng)機(jī)(四極三相異步電動(dòng)機(jī))為例，介紹ACS800系列變頻器的參數(shù)設(shè)置情況。該電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如下:額定電壓380 V;額定電流386 A;額定功率200 kW;額定頻率50 Hz;額定轉(zhuǎn)速1 470 r/min。

(1)起動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)置:參數(shù)組99是設(shè)置電機(jī)起動(dòng)數(shù)據(jù)的，它是設(shè)定電機(jī)信息的一組參數(shù)，只需在第一次運(yùn)行時(shí)設(shè)置，以后就不需要再改變了，這一組參數(shù)代碼范圍從99.01～99.10共10個(gè)參數(shù)，其中參數(shù)代碼99.01定義選擇語(yǔ)言，99.02表示應(yīng)用宏的選擇。ABB ACS800系列變頻器的應(yīng)用宏有以下幾種:FACTORY(工廠宏);HAND/AUTO(手動(dòng)/自動(dòng)宏);PID-CTIL(PID控制宏);SEQ CTRL(順序控制宏);T-CTRL(轉(zhuǎn)矩控制宏)。用戶(hù)根據(jù)需要選擇應(yīng)用宏。99.04表示電機(jī)控制模式。ABB ACS800系列變頻器有兩種控制模式:DTC和標(biāo)量控制。在DTC模式下，系統(tǒng)中給定信號(hào)為轉(zhuǎn)矩，即使在沒(méi)有反饋的情況下(即開(kāi)環(huán))也可對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確的速度及轉(zhuǎn)矩控制。標(biāo)量控制相對(duì)來(lái)說(shuō)控制精度要差一些，設(shè)置99.04=DTC。電機(jī)額定電壓(99.05)、額定電流(99.06)、額定頻率(99.07)、額定速度(99.08)、額定功率(99.09)這些參數(shù)從電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)中獲得。參數(shù)代碼99.10設(shè)置電機(jī)辨識(shí)運(yùn)行，設(shè)置99.10=ID MAGN(不使用ID Run辨識(shí)運(yùn)行)。通過(guò)控制盤(pán)的FUNC功能鍵由起動(dòng)向?qū)У挠⑽奶崾疽徊讲竭M(jìn)行變頻器的參數(shù)設(shè)置。

(2)控制參數(shù)設(shè)置:參數(shù)組10定義外部起動(dòng)、停機(jī)和轉(zhuǎn)向控制信號(hào)源。其中參數(shù)代碼10.01外部控制地1(EXT1)用于起動(dòng)、停機(jī)命令的連接和信號(hào)源。設(shè)置10.01=DI1，即通過(guò)數(shù)字輸入DI1的值來(lái)控制起動(dòng)和代碼停機(jī)(其中0=停止，1=起動(dòng))。參數(shù)代碼 10.03電機(jī)轉(zhuǎn)向，設(shè)置10.03=FORDWARD，即固定為正向。參數(shù)組11定義外部控制地的選擇和外部給定信號(hào)源和極限值。其中參數(shù)代碼11.02可選擇EXT1有效還是EXT2有效的控制口，通過(guò)控制口的信號(hào)可以在EXT1或EXT2中做出選擇，設(shè)置11.02=EXT1，即指定EXT1為當(dāng)前控制地。參數(shù)代碼11.03選擇外部給定 REF1的信號(hào)源，設(shè)置 11.03=COMM.REF，即為現(xiàn)場(chǎng)總線給定值REF1。

(3)給定選擇設(shè)置。11.02外部控制地選擇:ABB800有兩個(gè)控制源可以選擇，即 EXT1，EXT2。當(dāng)選擇EXT1時(shí)，變頻器的起動(dòng)由10.01所指定的輸入端子控制，頻率由11.03所指定的方式給定。對(duì)于PID應(yīng)用宏，此時(shí)為開(kāi)環(huán)控制，對(duì)于轉(zhuǎn)矩控制宏，此時(shí)為速度控制，當(dāng)選擇EXT2時(shí)，變頻器的起動(dòng)及頻率來(lái)源分別為 10.02、11.06;在PID宏及轉(zhuǎn)矩控制宏下分別為閉環(huán)控制及轉(zhuǎn)矩控制方式。頻率給定源的選擇10.03、11.06分別是EXT1，EXT2的給定源，對(duì)于使用模擬作為給定時(shí)可以選擇模擬輸入端子(AI1～AI3)的任何一個(gè)作為給定，這里要說(shuō)明的是AI1為0～10 V直流電壓信號(hào)，AI2～AI3為0～20 mA直流電流信號(hào)，也可由通信或數(shù)字端子(即電動(dòng)電位器)進(jìn)行設(shè)定頻率。

(4)加、減速時(shí)間設(shè)置:加、減速時(shí)間的選擇十分重要，特別是在拖動(dòng)大慣性負(fù)載時(shí)，變頻器設(shè)置加、減速時(shí)間應(yīng)大一些。如加速時(shí)間過(guò)短，起動(dòng)時(shí)電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，容易發(fā)生過(guò)流故障，如減速時(shí)間過(guò)短則可能發(fā)生慣性負(fù)載拖動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，則變頻器會(huì)發(fā)生過(guò)壓故障。參數(shù)代碼20.02加速時(shí)間1可設(shè)為30～40 s，參數(shù)代碼22.03減速時(shí)間可稍長(zhǎng)一些，可設(shè)為40～80 s，其余傳動(dòng)器加、減速時(shí)間1均可設(shè)為20～30 s。對(duì)于參數(shù)代碼20.06加速/減速斜坡的形狀選擇有兩種:線型斜坡和S形曲線斜坡，一般傳動(dòng)系統(tǒng)中均可用線型斜坡，設(shè)置20.06=線型斜坡。ACS800變頻器主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

6 變頻器的運(yùn)行操作與維護(hù)

6.1 變頻器送電前檢查內(nèi)容

檢查各端子排間和暴露的帶電部位無(wú)短路和接地現(xiàn)象;檢查確認(rèn)各端子連接、插接式連接器和螺釘?shù)染o固無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象;檢查變頻器柜上總電源開(kāi)關(guān):在送電前，該開(kāi)關(guān)應(yīng)打到“OFF”斷開(kāi)位置;檢查確認(rèn)變頻器柜內(nèi)所有信號(hào)繼電器已復(fù)歸;檢查確認(rèn)高壓煤漿泵變頻器周?chē)鸁o(wú)危及安全運(yùn)行的物品。

表1 ACS800變頻器主要參數(shù)用戶(hù)設(shè)置表

6.2 送電操作程序

檢查高壓煤漿泵所有安措已拆除;測(cè)量高壓煤漿泵電機(jī)絕緣:將變頻器的R、S、T端子和電源端電纜斷開(kāi)，U、V、W端子和電機(jī)端電纜斷開(kāi)，用兆歐表測(cè)量電纜每相導(dǎo)線之間以及每相導(dǎo)線與保護(hù)接地之間的絕緣電阻是否符合要求，正常時(shí)應(yīng)大于1 MΩ;測(cè)量絕緣合格后，按原相序恢復(fù)好接線(在不檢修情況下，可用萬(wàn)用表測(cè)量負(fù)荷線路對(duì)地絕緣);合上高壓煤漿泵電源柜主回路電源側(cè)開(kāi)關(guān);合上變頻器柜上總電源開(kāi)關(guān)，給變頻器送電，并驗(yàn)明三相電源電壓正常;變頻器操作面板顯示外部故障代碼9 000，現(xiàn)場(chǎng)電源指示燈亮，待工藝DCS允許，5K2繼電器動(dòng)作后，按變頻器面板上的RESET復(fù)位，故障代碼消失。變頻器顯示:變頻器的控制盤(pán)(CDP312R)液晶顯示屏上可以顯示4行，每行20個(gè)字符。

當(dāng)+24 V和DI4打開(kāi)，且相應(yīng)控制位置是EXTI，如AI1時(shí)，控制模式是“手動(dòng)”模式;當(dāng)關(guān)閉+24 V和DI4，控制模式起動(dòng)“自動(dòng)”模式，相應(yīng)控制位是EXTI2，如AI2?？刂颇Ｊ娇梢酝ㄟ^(guò)現(xiàn)場(chǎng)的控制面板上手動(dòng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換;變頻器裝置內(nèi)的冷卻風(fēng)扇運(yùn)行正常，通知工藝操作人員，開(kāi)起高壓煤漿泵。6.3 運(yùn)行時(shí)巡檢內(nèi)容

對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的變頻器，可以從外部目視檢查運(yùn)行狀態(tài)。定期對(duì)變頻器進(jìn)行巡視檢查，通常應(yīng)作如下檢查:檢查變頻器運(yùn)行時(shí)是否有異?，F(xiàn)象，有無(wú)異常振動(dòng)，聲響;環(huán)境溫度是否正常，要求在－10～+40℃范圍內(nèi)，以25℃左右為好;變頻器控制盤(pán)(CDP312R)液晶顯示屏LED上顯示的輸出電流、電壓、頻率等各種數(shù)據(jù)是否正常;LED上顯示運(yùn)行轉(zhuǎn)速與現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速表顯示是否一致，字符是否清楚，是否缺少字符;用測(cè)溫儀器檢測(cè)變頻器是否過(guò)熱，是否有異味;變頻器冷卻風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，有無(wú)異常，散熱風(fēng)道是否通暢;變頻器運(yùn)行中是否有故障報(bào)警顯示;檢查變頻器交流輸入電壓是否超過(guò)最大值。如果主電路外加輸入電壓超過(guò)極限，即使變頻器沒(méi)運(yùn)行，也會(huì)對(duì)變頻器線路板造成損壞。檢查現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行指示燈亮，主控制室運(yùn)行信號(hào)正常。

7 結(jié)語(yǔ)

ABB ACS800系列變頻器在新型水煤漿加壓氣化技術(shù)高壓煤漿泵變頻傳動(dòng)系統(tǒng)中的使用，特別是ABB ACS800系列變頻器DTC技術(shù)，并且通過(guò)編碼器組成控制系統(tǒng)，控制簡(jiǎn)單、控制精度高、維護(hù)方便，完全滿(mǎn)足高壓煤漿泵工藝系統(tǒng)的要求。整個(gè)系統(tǒng)自2008年6月投入運(yùn)行以來(lái)，至今電氣部分未出現(xiàn)一次故障，提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用。ABB ACS800系列變頻器可靠性高、控制方便，值得在化工行業(yè)推廣應(yīng)用。

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