高壓變頻器在VPSA-O2系統(tǒng)節(jié)能改造中的應用

羅飛

（深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司 丹霞冶煉廠，廣東仁化 512300）

丹霞冶煉廠成立于2007年，是國內(nèi)首家采用鋅氧壓浸出技術進行金屬回收的企業(yè)。該企業(yè)氧壓浸出工藝采用兩段氧壓釜，在一定的溫度、壓力下，通入氧氣，對硫化鋅精礦進行酸浸。經(jīng)過酸浸，硫化鋅中的鋅轉(zhuǎn)化為硫酸鋅溶液，通過下游工段凈化、電積等工藝產(chǎn)出電鋅。在整個工藝控制過程中，為保證溶液中鋅的浸出率，要求制氧工藝安全、穩(wěn)定，所得的氧氣純度在90%以上。同時，為踐行節(jié)約能源、清潔生產(chǎn)、綠色發(fā)展的理念，整個制氧環(huán)節(jié)實現(xiàn)了自動化、智能化控制，為同行業(yè)制氧生產(chǎn)實踐提供了寶貴經(jīng)驗。

1 真空變壓吸附制氧系統(tǒng)工作原理

1.1 變壓吸附制氧原理

真空變壓吸附制氧（VPSA-O2）經(jīng)鼓風機輸送低壓（25～65 kPa）的原料空氣，凈化除去粉塵后進入VPSA-O2系統(tǒng)吸附塔。吸附塔為兩塔體系，吸附后的主要氣體為氧氣，空氣中的氮氣、二氧化碳、水蒸氣等也隨之被吸附。當其達到設定控制值后，由于吸附壓力較低，先通過常壓吸附，再經(jīng)過真空泵抽真空后達到一定真空度，使吸附塔內(nèi)吸附劑雜質(zhì)徹底托付再生，由兩塔組成的吸附分離制氧系統(tǒng)，在DCS數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的控制下，形成穩(wěn)定制氧工藝。鼓風機要求在壓力變化時保持流量穩(wěn)定，以減小對吸附床的沖擊，同時變化范圍小，有利于分子篩吸附。

1.2 工藝流程簡介

VPSA真空變壓吸附制氧系統(tǒng)是由鼓風機、真空泵、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、氧氣罐、電氣控制系統(tǒng)、氧氣增壓系統(tǒng)等組成?？諝饨?jīng)過濾器去除空氣中的機械雜質(zhì)，經(jīng)鼓風機壓縮后，從吸附器下部進料口進入其中的一個吸附器。空氣中的氮氣、二氧化碳等成分在吸附器內(nèi)被吸附，氧氣則通過吸附床層匯集到吸附塔頂部作為產(chǎn)品氣輸出。與此同時，另一個吸附塔處于再生工況。當一個吸附塔達到吸附飽和時，控制系統(tǒng)將空氣轉(zhuǎn)入已完成再生的吸附塔中開始吸附產(chǎn)氧。兩只吸附塔如此交替輪流實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)氧氣。變壓吸附制氧的工藝流程見圖1。

圖1 變壓吸附制氧的工藝流程

2 設備運行概況及能耗分析

2.1 主要設備運行概況

某冶煉廠制氧系統(tǒng)原鼓風機采用單級離心式鼓風機。該風機屬于恒壓風機，其輸出的流量隨壓力的變化而不斷變化。雖然該設備可以調(diào)節(jié)流量，但是調(diào)節(jié)后的流量往往偏離設計的最佳工作點，工作效率降低；同時，該設備還存在啟停復雜、操作適應性差等問題。

所采用真空泵為水環(huán)式，是靠泵腔容積的變化來實現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的，屬于變?nèi)菔秸婵毡?。雖然該設備吸氣均勻，運行工況相對平穩(wěn)，但使用效率較低。設計初期，設備裝配都為一用一備，不僅運行成本高，所占的建筑面積大，能耗居高不下。

2.2 能耗分析

自2015年該項目建成投產(chǎn)以來，氧氣產(chǎn)品單位能耗與同行業(yè)數(shù)據(jù)相比一直居高不下，其中電耗占整個氧氣產(chǎn)品能源消耗的90%以上。研究分析表明，能耗過高的原因主要有以下幾個方面：

1）鼓風機及真空泵運行效率低，從星三角降壓啟動到工頻電壓運行，所需啟動時間長、電流大，啟動電流是額定電流的5～7倍。啟動時的大電流不僅浪費電力，還會對電網(wǎng)的電壓波動造成不利影響，增加了線損和變損。

2）鼓風機排氣壓力通過出口調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式僅僅是改變了管網(wǎng)阻力，并沒有改變電機的輸出功率，是以人為地增加阻力的辦法達到調(diào)節(jié)壓力大小的目的，極大地浪費電能。

3）水環(huán)真空泵流量也采用出口閥調(diào)節(jié)。通過在真空泵排出管路上安裝調(diào)節(jié)閥，靠改變閥的開關度來調(diào)節(jié)流量大小。當流量調(diào)節(jié)為較小時，會對管網(wǎng)造成憋壓，增加電機運行負荷。

2.3 優(yōu)化思路

針對上述問題，在參考同行業(yè)前提下，該廠決定采用“一拖二”的羅茨設備機組，即1臺電機同時拖動1臺羅茨鼓風機和1臺羅茨真空泵運轉(zhuǎn)，同時裝配高壓變頻器進行節(jié)能矢量控制。該優(yōu)化思路旨在減輕因鼓風機排氣壓力頻繁波動對吸附劑的吸附性能和使用壽命產(chǎn)生的不良影響，使氣體流量保持基本恒定，保證制氧裝置的穩(wěn)定運行?！耙煌隙绷_茨設備主要技術參數(shù)見表1。

表1 “一拖二”羅茨設備的主要技術參數(shù)

3 羅茨風機節(jié)能改造要求及方案

3.1 技術要求

羅茨風機是制氧系統(tǒng)的核心設備，一旦設備不能正常運行，不僅影響制氧系統(tǒng)的生產(chǎn)，還將影響整個鋅冶煉流程。因此，針對原制氧設備的弊端，同時考慮到配套高壓調(diào)速系統(tǒng)必須具備極高的可靠性，對電機的節(jié)能改造提出如下技術要求：1）變頻器具有高可靠性、穩(wěn)定性；2）變頻器設有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機切換到工頻運行（圖2）；3）調(diào)節(jié)精度高、啟動線性平穩(wěn)，不影響供電網(wǎng)絡穩(wěn)定；4）具有共振點跳轉(zhuǎn)設置，能使電機避開共振點運行，風機不會出現(xiàn)喘震；5）建立風機后臺數(shù)據(jù)的采集及分析系統(tǒng)，可通過DCS系統(tǒng)實現(xiàn)對設備遠程操作、運行參數(shù)監(jiān)視、故障報警及聯(lián)鎖停機等功能，從而提前預判設備的運行狀態(tài)。

圖2 工頻/變頻旁路切換一次回路

經(jīng)過多方調(diào)研、反復比較，最終采用ABB電氣傳動公司生產(chǎn)的最新ACS580MV高壓變頻器，較好地按照既定思路完成制酸風機的升級改造。

3.2 ABB ACS580MV高壓變頻器設備特點

1）該高壓變頻器采用交—直—交直接接高壓方式（高—高），主電路開關元件為IGBT板；采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓方式，具有較高可靠性。

2）該高壓變頻器由每相9個功率單元，三相共計27個獨立低壓功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，同時每相功率單元可實現(xiàn)相互旁路短接。三相整體輸出Y型接法，中性點懸浮,且輸入不采用諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置，對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)較高，輸出波形為質(zhì)量較高的正弦波。

3）該高壓變頻器能最大限度地抑制輸入側(cè)諧波含量。同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流。變頻器輸入電流的總諧波含量遠低于國家標準5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。

4）該高壓變頻器具有失電跨越功能。在±10%的額定電壓波動范圍內(nèi)能滿載輸出；在75%～90%的額定電壓范圍內(nèi)降額繼續(xù)運行；在低于75%的輸入電壓狀態(tài)下將進入失電跨越模式；當供電恢復，可轉(zhuǎn)換至正常狀態(tài)。

3.3 改造方案

3.3.1 主電源方案

由圖2可知，QF1為用戶真空斷路器，QS1、QS2、QS3為3臺高壓隔離開關。QS1與QS2之間為高壓變頻器，QS3為旁路隔離開關。當電機變頻運行時，應先將QS3分斷，后合QS1和QS2的開關，最后再合真空斷路器QF1，變頻器得電運行。當變頻器出現(xiàn)故障時切換工頻運行，將QS1和QS2的開關斷開，QS3合入，最后合真空斷路器QF1直接工頻運行。

工頻直啟方式為變頻器故障情況下應急開啟方式，非必要禁止工頻直啟。同時為實現(xiàn)對故障變頻器的保護，變頻器故障狀態(tài)下發(fā)出跳閘指令，對現(xiàn)場的高壓真空斷路器QF1進行連鎖跳閘，以使變頻器斷開電源。同時QS1、QS2、QS3刀閘都與斷路器QF1電氣互鎖，只有在斷路器QF1分斷時才能操作刀閘，以防止帶電誤操作。

3.3.2 控制方案

變頻器采用3種控制方案，分別是遠程DCS閉環(huán)自動控制、遠程DCS開環(huán)手動控制和就地手動控制。遠程DCS閉環(huán)自動控制方式為利用變頻器內(nèi)置PID控制功能，將外部實時變化信號通過變頻器端子輸入，通過變頻器內(nèi)部進行PID運算以改變輸出頻率。當風機出口壓力范圍變化時，傳感器檢測的信號以模擬量（4～20 mA）反饋至變頻器的控制端，實現(xiàn)變頻器的閉環(huán)自動控制。遠程DCS開環(huán)手動控制和就地手動控制為普通給定控制方式，通過后臺控制器及變頻器本體面板控制，此控制方式為備用。

3.3.3 冷卻方案

由于高壓變頻器采用（高—高）方式，功率單元采用串聯(lián)形式，因此變頻器在正常運行時，有約4%的功率損耗會以熱能的形式散失在空間內(nèi)。變頻器本體對室內(nèi)溫度的要求為25～40℃。按照室溫要求，高壓變頻器的冷卻方式設計為空調(diào)密閉冷卻+變頻本體獨立風道，其中變頻本體風道經(jīng)獨立風道引至室外，能較好地保證室內(nèi)溫度。

4 節(jié)能分析及經(jīng)濟效益

4.1 節(jié)能效果分析

羅茨風機—真空泵電機調(diào)速系統(tǒng)改造前后的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1）羅茨鼓風機—真空泵平均功率由2 500 kW下降到2 127.50 kW，下降率為14.90%，每月可節(jié)電268 200 kWh。高壓變頻器損耗及調(diào)速系統(tǒng)的總損耗相對星三角降壓—工頻啟動的能耗低得多。

2）使用變頻調(diào)節(jié)后，由于變頻器SPWM矢量控制技術，實現(xiàn)了真正意義的軟啟動及軟停車，從根本上消除了工頻啟動電流對電機及其設備的危害，大大延長了設備的使用壽命。

3）減少消除對電網(wǎng)和負載的沖擊，避免產(chǎn)生操作過電壓而損傷電機絕緣，延長了電動機和風機的使用壽命。同時，變頻器設置共振點跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風機處于共振點運行的可能性，使風機工作平穩(wěn)，軸承磨損減少，啟動平滑，消除了機械的沖擊力，提高了設備的使用壽命。另外，因為變頻器的保護功能，有效降低了設備維修成本。

4.2 經(jīng)濟效益分析

1）變頻調(diào)速系統(tǒng)改造后，羅茨鼓風機的平均功率由2 500 kW下降到2 127 kW，平均月節(jié)電量268 200 kWh，全年按11個月生產(chǎn)時間，電價按平均0.6元/kWh計算，每年可節(jié)約電費約為177萬元。

2）按氧氣產(chǎn)品單耗下降幅度計算效益，調(diào)速系統(tǒng)改造后每月單位產(chǎn)品能耗由原來的0.48 kWh/m3下降至0.33 kWh/m3，按平均5 600 m3/h產(chǎn)生氧氣，全年11個月生產(chǎn)時間計算，調(diào)速系統(tǒng)改造后的年效益約為399.16萬元。

5 結語

從該廠近5年來的運行情況及效益來看，羅茨風機—真空泵采用變頻調(diào)速后，設備啟停過程平穩(wěn)，電動機工作頻率在10～50 Hz，調(diào)速過程風機機械設備的零部件、密封和軸承等的使用壽命大大延長，檢修維護工作量減少，降低了檢修工作強度和費用。同時，羅茨風機—真空泵啟停過程平穩(wěn)，對電網(wǎng)無沖擊波動，對工廠的節(jié)能改善效果明顯。