高壓變頻器在干熄焦循環(huán)風(fēng)機系統(tǒng)的應(yīng)用研究

賀林

山西焦化股份有限公司 山西 臨汾 031400

風(fēng)機類設(shè)備是焦炭生產(chǎn)行業(yè)的耗電大戶，目前主要的控制方式是采用液力耦合器調(diào)速，或通過翻板來調(diào)節(jié)風(fēng)量，其中蘊藏著巨大的節(jié)能空間。采用高壓大功率變頻調(diào)速方案，將會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。對節(jié)能降耗起到積極作用。隨著計算機技術(shù)及 IGBT等功率器件的飛速發(fā)展，高壓大功率變頻器產(chǎn)品已日漸成熟，但是對于不同的工況條件，節(jié)能效果上差別很大，不能盲目推廣投運，必須對使用條件和現(xiàn)場工況作細致的研究。

1 干熄焦循環(huán)風(fēng)機的工藝要求

干熄焦循環(huán)風(fēng)機是干熄焦氣體循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心設(shè)備，為氣體循環(huán)提供動力，根據(jù)工況調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)量，控制排焦溫度及鍋爐入口溫度。在干熄焦氣體循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計中，循環(huán)風(fēng)機的控制方式一般有2種:循環(huán)風(fēng)機不調(diào)速，采用翻板閥門來調(diào)節(jié)風(fēng)量;循環(huán)風(fēng)機采用液耦或變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量。循環(huán)風(fēng)機采用變頻調(diào)速技術(shù)可以更精確地調(diào)節(jié)循環(huán)氣體的流量，有利于干熄焦鍋爐的穩(wěn)定運行。

循環(huán)風(fēng)機的工藝技術(shù)參數(shù)：型號GXS160；形式，雙吸入離心式風(fēng)機；容積流量，232000m3/h；壓力，風(fēng)機全壓 13.5kPa，入口靜壓約-4.5kPa；介質(zhì)密度，0.77kg/m3；轉(zhuǎn)速，1490r/min。

高壓電機的工藝技術(shù)參數(shù)：型號，YKK630-4；額定功率，2240kW；額定電壓，6kV；額定電流，248A；額定轉(zhuǎn)速，1486r/min；功率因數(shù)，91%。循環(huán)風(fēng)機的風(fēng)量要求隨著干熄焦系統(tǒng)排焦量的變化而變化，主要目的是穩(wěn)定系統(tǒng)的排焦溫度及鍋爐入口溫度，風(fēng)量的調(diào)節(jié)通過循環(huán)風(fēng)機變頻調(diào)速來實現(xiàn)。變頻器控制方式選擇:遠程及本地。當(dāng)選擇開關(guān)打到遠程位置時，控制權(quán)交給干熄焦中控室 EI 系統(tǒng)的后臺上位工控機；當(dāng)選擇開關(guān)打到本地位置時，控制權(quán)交給變頻器。正常工作時，循環(huán)風(fēng)機的入口檔板全開，在干熄焦中控室EI 系統(tǒng)的上位工控機畫面上給定頻率，控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)量。

2 變頻調(diào)速控制的系統(tǒng)性能特點

對于2240kW/6.0kV 高壓變頻裝置，采用HARSVERT-A系列高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)，可以很好的滿足現(xiàn)場調(diào)速要求。該系列變頻采用新型IGBT 功率器件，全數(shù)字化微機控制，具有以下特點：

（1）高-高電壓源型變頻調(diào)速系統(tǒng)，直接 3、6、10kV輸入，直接 3、6、10kV輸出，無須輸出變壓器。

（2）輸入功率因數(shù)高，電流諧波少，無須功率因數(shù)補償/諧波抑制裝置。

（3）輸出階梯正弦PWM 波形，無須輸出濾波裝置，可接普通電 機，對電纜、電機絕緣無損害，電機諧波少，減小軸承、葉片的機械震動，輸出線可以長達1000m。

（4）標(biāo)準(zhǔn)操作面板配置或彩色液晶屏全中文操作界面。

（5）內(nèi)置 PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場需要。

（6）支持 Profibus、Modbus、TCP/IP 等多種通信協(xié)議。

（7）可接受和輸出0～10V／4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號。

（8）直接內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)器，可開閉環(huán)運行。

3 基本控制原理

利用變頻器恒壓供風(fēng)的基本原理是通過主管道上安裝的壓力傳感器實時檢測主管道的壓力，與設(shè)定的壓力進行比較，經(jīng)過PID控制器或PLC調(diào)節(jié)后，在線自動調(diào)節(jié)變頻器的給定值來控制電機轉(zhuǎn)速，從而控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，使主管道壓力始終穩(wěn)定在設(shè)定值上，達到壓力穩(wěn)定的目的。它的控制原理是閉環(huán)控制，控制原理框圖見圖1。

圖1 恒壓控制原理圖

從圖1看出，當(dāng)壓力實際值小于于壓力設(shè)定值時，通過PID控制器會增加變頻器的給定提高電機轉(zhuǎn)速，從而提高風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，使主管道的壓力增高，當(dāng)壓力實際值大于壓力設(shè)定值時，通過PID控制器會減少變頻器的給定降低電機轉(zhuǎn)速，從而降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，是主管道的壓力減小，通過合理的設(shè)置 PID 調(diào)節(jié)器的 P（比例）、I（積分）、D（微分）參數(shù)，可以和容易的使得壓力實際值與壓力設(shè)定值達到一致，此時，電機會保持速度不變，實現(xiàn)恒壓供風(fēng)。

4 高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)原理

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6000V有15（或 21）個功率單元，每5（或 7）個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

圖2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 功率單元結(jié)構(gòu)

每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋。

4.3 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

輸出側(cè)由每個單元的U、V 輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM 波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于設(shè)備改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力。

圖3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出的相電壓階梯PWM波形

當(dāng)某一個單元出現(xiàn)故障時，通過使繼電器 K閉合，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運行，變頻器可持續(xù)降額運行，如此可減少很多場合下停機造成的損失。

5 設(shè)備運行特點

干熄焦循環(huán)風(fēng)機變頻的投運調(diào)試過程順利，投運一次成功。該變頻技術(shù)成熟，性能良好，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：

（1）運行穩(wěn)定，安全可靠。設(shè)備自投運以來，一直運行正常，沒出現(xiàn)過故障，并具有免維護的特點，只需定期清洗柜門上的通風(fēng)濾網(wǎng)。

（2）速度響應(yīng)及時準(zhǔn)確，起停平穩(wěn)。對電網(wǎng)幾乎無諧波干擾，大大減少了電機的振動和噪音，完全滿足干熄焦氣體循環(huán)系統(tǒng)的工藝需求。

（3）變頻器自身保護功能完備，控制器用戶接口電路完善，現(xiàn)場信號接入靈活方便，內(nèi)部控制連接采用光纖通信技術(shù)，具備良好的抗電磁干擾性，可靠性大大提高。

（4）適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動能力強。盡管廠區(qū)內(nèi)電網(wǎng)電壓波動頻繁（電壓波動范圍為5.7～6.3kV），變頻器運行仍穩(wěn)定正常。

（5）節(jié)能效果顯著。根據(jù)現(xiàn)場實際運行工況，排焦量在140t/h左右時，系統(tǒng)所需風(fēng)量約為額定風(fēng)量的30%，此時變頻器的運行頻率為 40Hz。

6 結(jié)束語

1）由于采用了變頻調(diào)速，使得在正常生產(chǎn)時，電機的輸出功率大大降低，節(jié)能效果明顯，比擋板調(diào)速大約節(jié)能在30%以上；

2）系統(tǒng)具有軟啟動功能，減小了在啟動鼠籠式電動機時對電網(wǎng)的沖擊，對整個電網(wǎng)起了保護作用，而且采用12脈動整流，有效地消除了諧波；

3）通過 PLC、中壓變頻器來控制電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓，真正實現(xiàn)了風(fēng)量和風(fēng)壓的無級調(diào)速，波動很小；

4）采用變頻調(diào)速，風(fēng)機擋板始終保持全開狀態(tài)，降低了磨損，且大力矩執(zhí)行機構(gòu)工作次數(shù)減少，故障率降低。