大型變頻風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)旁路改造的實(shí)踐與分析

李昕洋

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

0 引言

鋼鐵行業(yè)中，大型變頻風(fēng)機(jī)是工藝生產(chǎn)、環(huán)保除塵等環(huán)節(jié)主要的動(dòng)力設(shè)備。從整體運(yùn)行來(lái)看，風(fēng)機(jī)、電機(jī)本身的穩(wěn)定性較高，傳動(dòng)系統(tǒng)特別是對(duì)于長(zhǎng)期服役的高壓變頻器而言，由于多數(shù)采用八到十級(jí)的設(shè)計(jì)思路，其功率模塊的總數(shù)普遍較多，導(dǎo)致故障率隨著使用年限的增加而顯著升高。由于傳動(dòng)系統(tǒng)整體費(fèi)用較高，往往不考慮設(shè)計(jì)備用旁路，這就在穩(wěn)定生產(chǎn)秩序、保持環(huán)保排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等方面帶來(lái)隱患。

1 變頻傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行分析

隨著鋼鐵行業(yè)不斷淘汰落后產(chǎn)能搬遷升級(jí)，其生產(chǎn)規(guī)模和工藝設(shè)備逐步向大型化發(fā)展。從整體考慮，設(shè)備大型化相比于過(guò)去多臺(tái)套中小型設(shè)備運(yùn)行而言，提高系統(tǒng)的負(fù)載能力，有效降低投資成本和運(yùn)行成本，但對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性卻提出更高的要求。過(guò)去多臺(tái)套設(shè)備同步運(yùn)行時(shí)，能夠在滿足工藝要求的前提下，實(shí)現(xiàn)單系統(tǒng)檢修或交替運(yùn)行，但大型設(shè)備因單體投資較高，顯然不具備設(shè)置冗余系統(tǒng)的可行性。

按照連續(xù)生產(chǎn)或環(huán)保除塵等工藝要求，傳動(dòng)設(shè)備必須具備長(zhǎng)期服役、穩(wěn)定運(yùn)行的能力，因此高壓變頻器功率模塊的故障率直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然國(guó)內(nèi)多數(shù)品牌的高壓變頻器設(shè)計(jì)單元旁路功能，即在運(yùn)行過(guò)程中允許部分單元退出運(yùn)行，但是旁路的成功率也隨著變頻器服役年限的增加而降低。因此，需要設(shè)備管理人員，根據(jù)電機(jī)的功率、上級(jí)進(jìn)線開關(guān)的整定值、投入產(chǎn)出比等綜合因素考慮對(duì)長(zhǎng)期服役的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行旁路改造，使變頻風(fēng)機(jī)具備應(yīng)急啟動(dòng)的功能。

2 變頻系統(tǒng)旁路改造實(shí)例分析

針對(duì)變頻旁路改造有很多應(yīng)用的實(shí)例，從性價(jià)比、穩(wěn)定性等角度來(lái)看，各種方案都有自己的優(yōu)勢(shì)，以630 kW 工藝風(fēng)機(jī)為例，分析改造過(guò)程中硬件和軟件的實(shí)施方案。

2.1 原系統(tǒng)運(yùn)行存在的問(wèn)題

某鋼廠球團(tuán)脫硫區(qū)域冷卻風(fēng)機(jī)是脫硫系統(tǒng)主要的工藝風(fēng)機(jī)，對(duì)解析塔內(nèi)活性焦降溫起著至關(guān)重要的作用。該電機(jī)為高壓變頻電機(jī)，功率為630 kW，驅(qū)動(dòng)方式為高壓變頻器驅(qū)動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障不能及時(shí)恢復(fù)時(shí)，會(huì)對(duì)整個(gè)工藝流程造成嚴(yán)重的影響，使脫硫效率下降。時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致煙氣排放超標(biāo)，影響環(huán)保數(shù)據(jù)，按照環(huán)保部門要求，此時(shí)球團(tuán)生產(chǎn)必須立即減產(chǎn)，甚至停機(jī)。

風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行之初，整體運(yùn)行的穩(wěn)定性較高，但受工藝影響，整體環(huán)境存在腐蝕性，運(yùn)行兩年后高壓變頻器功率模塊的故障率顯著增高?？紤]到工藝和環(huán)保的要求，該風(fēng)機(jī)需要具備連續(xù)運(yùn)行或故障時(shí)短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行的能力。從傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)看，該高壓變頻器雖然具備手動(dòng)直啟的功能，但存在設(shè)計(jì)缺陷。

如圖1 所示，該高壓變頻系統(tǒng)平時(shí)采用變頻運(yùn)行，當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障無(wú)法及時(shí)恢復(fù)時(shí)，可以切換至旁路（3KM）。此時(shí)需要高壓運(yùn)行人員手動(dòng)合高壓開關(guān)柜，通過(guò)直啟方式啟動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行，以保證冷卻循環(huán)系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。

圖1 高壓系統(tǒng)圖

但經(jīng)過(guò)設(shè)備人員確認(rèn)，該方法雖然能夠啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，但實(shí)際存在較大風(fēng)險(xiǎn)。該電機(jī)在工頻啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停功能，且無(wú)法投入電機(jī)振動(dòng)、軸溫、定子溫度等連鎖條件。即當(dāng)系統(tǒng)需要停機(jī)或檢測(cè)到故障狀態(tài)時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)停機(jī)。

2.2 硬件改動(dòng)

首先實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，需要實(shí)現(xiàn)所有狀態(tài)的采集。高壓柜二次回路如圖2 所示，原變頻系統(tǒng)的運(yùn)行返回取自變頻器，旁路運(yùn)行時(shí)該點(diǎn)位已經(jīng)無(wú)法表示電機(jī)的實(shí)際狀態(tài)。因此需要把變頻高壓開關(guān)柜運(yùn)行返回采集至PLC中。其次，由于旁路啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的主程序不同，需要通過(guò)采集轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)啟動(dòng)程序和啟動(dòng)控制畫面的切換。此外，啟停機(jī)方面也需要改動(dòng)。變頻狀態(tài)時(shí)，高壓柜處于合閘狀態(tài)，PLC 發(fā)送啟停機(jī)命令給變頻器，而旁路運(yùn)行時(shí)需要PLC 直接給高壓開關(guān)柜發(fā)送合閘和分閘命令。

圖2 高壓柜二次回路

2.3 程序改動(dòng)

程序上，需要對(duì)兩種啟動(dòng)方式分別編程，并通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置來(lái)切換程序的激活狀態(tài)。新增程序段如圖3 所示，無(wú)論是何種啟動(dòng)方式，電機(jī)軸振故障、軸溫故障、定子溫度故障、油壓故障等條件均可觸發(fā)遠(yuǎn)程跳閘，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，使該系統(tǒng)進(jìn)一步得到完善。并對(duì)上位畫面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，增加變頻、工頻啟動(dòng)切換功能，以及實(shí)現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控功能。

圖3 新增程序段

2.4 操作方法的標(biāo)準(zhǔn)化

高壓人員根據(jù)新的啟機(jī)模式，重新制定操作方法。在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)重故障時(shí)：①高壓人員將高壓柜轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇就地，確認(rèn)圖1 中1KM、2KM 接觸器已分開；②高壓變頻器面板上按旁路手動(dòng)合閘按鈕，并將高壓柜斷路器搖至工作位；③高壓柜選擇開關(guān)選擇遠(yuǎn)方。生產(chǎn)崗位通過(guò)畫面選擇工頻控制，此時(shí)變頻控制功能隱藏，點(diǎn)擊啟動(dòng)后，即可直啟運(yùn)行。

2.5 實(shí)施效益

改造前，旁路啟動(dòng)功能并不完善，各狀態(tài)無(wú)保護(hù)功能，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)極高，可操作性極低；改造后，系統(tǒng)各項(xiàng)保護(hù)功能齊全，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)冷卻風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)功率模塊發(fā)生故障時(shí)，更換功率模塊至少需要1 h，現(xiàn)在可在10 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)旁路運(yùn)行，極大的縮短故障停機(jī)時(shí)間，并可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。待檢修處理變頻系統(tǒng)，為變頻故障處理創(chuàng)造較大的自由空間。并且該改造可以進(jìn)行內(nèi)部推廣，進(jìn)一步降低同類設(shè)備的隱患風(fēng)險(xiǎn)。以每次停機(jī)節(jié)約50 min 計(jì)算，故障時(shí)可造成球團(tuán)減產(chǎn)416.7 噸，損失約25 萬(wàn)元。

3 優(yōu)化方案分析

考慮10 kV 高壓電機(jī)的直啟電流約為額定電流的6～8 倍，因此風(fēng)機(jī)變頻旁路的改造方案主要從電機(jī)功率、進(jìn)線開關(guān)整定值、工藝管道承受能力等角度考慮。對(duì)于2000 kW 以下的風(fēng)機(jī)，在進(jìn)線開關(guān)整定值滿足條件的前提下，一般采用直啟的方式作為備用啟動(dòng)條件。直啟后，通過(guò)控制風(fēng)門開度或葉片角度，調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，達(dá)到工藝或環(huán)保的要求。對(duì)于2000 kW 以上的電機(jī)，由于啟動(dòng)電流較大，一般通過(guò)增加高壓軟啟動(dòng)器的方式實(shí)現(xiàn)旁路的軟啟動(dòng)功能。由于同等容量的軟啟動(dòng)器的采購(gòu)成本約為變頻器的1/3 左右，因此該方案具備較好的經(jīng)濟(jì)性。

無(wú)論采用何種方案，均需要將高壓變頻與直啟或高壓軟起的一次回路進(jìn)行隔離，避免反向送電。軟件方面，需要采集兩套系統(tǒng)主回路開關(guān)、接觸器等器件的狀態(tài)，通過(guò)綜合判斷保證系統(tǒng)切換時(shí)安全可靠；需要對(duì)控制方式重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證兩套系統(tǒng)具備獨(dú)立的啟動(dòng)、停止和連鎖功能。

其他情況，若工藝段的變頻風(fēng)機(jī)有較多的臺(tái)套，可以從設(shè)計(jì)之初考慮將容量相近電機(jī)的變頻器設(shè)計(jì)為具有互拖功能的冗余系統(tǒng)。特別是大型的工藝風(fēng)機(jī)，由于功率較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)直啟，且該容量的高壓軟啟動(dòng)器價(jià)格也普遍較高，因此考慮設(shè)計(jì)電纜轉(zhuǎn)接柜、同期柜實(shí)現(xiàn)互拖功能是十分經(jīng)濟(jì)的手段。這樣既能保證異常狀態(tài)下的應(yīng)急啟動(dòng)，又能有效降低成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

大型變頻風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的旁路改造是提高設(shè)備穩(wěn)定性的重要手段。當(dāng)前，環(huán)保排放持續(xù)穩(wěn)定與生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)同等重要，旁路系統(tǒng)改造使得在傳動(dòng)設(shè)備故障時(shí)能夠利用極短時(shí)間恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行，對(duì)于企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)意義重大。