高壓變頻器在冶金石化行業(yè)中的應用

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)能源消耗量逐年增大，但是，在我國一方面能源供不應求，另一方面能源浪費還比較嚴重，如何高效利用能源已經(jīng)被國家擺在重要的戰(zhàn)略位置。據(jù)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士估計，中國發(fā)電總量的60%以上消耗在電動機上。而中國目前電動機總裝機容量已超過4億kW，高壓電機約占一半，高壓電動機中近70%拖動的負載是風機、泵類、壓縮機，其中一半適合調(diào)速，即有約7 500 萬kW的高壓電機處在浪費能源的運行狀態(tài)。從目前高壓變頻器的一般使用情況來看，平均節(jié)電率可達30%，在技術改造項目中，高壓變頻器的投入和使用，其節(jié)能效果是顯而易見的。在新建項目中，高壓變頻器在風機、水泵類的應用也已經(jīng)深入到鋼鐵、石油、化工各個行業(yè)，節(jié)能效果已經(jīng)為大家所共識。

1 風光高壓變頻器的技術特點

山東新風光電子科技發(fā)展有限公司研制生產(chǎn)變頻器已有十幾年的歷史，高壓變頻器技術已經(jīng)相當成熟，并在各行各業(yè)中得到了廣泛的應用。風光高壓變頻器以西門子新型IGBT作為主功率器件，采用高性能數(shù)字信號處理器DSP進行控制，精心設計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。彩色液晶觸摸屏實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，以高可靠性、易操作、高性能作為設計目標的風光高壓變頻調(diào)速器在激烈的市場競爭中得到用戶的認可。

風光高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)的結構方式，可靠性高。功率單元采用標準模塊化設計，安裝維護簡單方便。并且每個單元都有旁路功能，當某個單元出現(xiàn)故障時，控制電路控制晶閘管將故障單元的輸出短接，這樣變頻器仍能正常運行。單元主電路如圖1所示。

它的輸入側采用干式移相變壓器，可以實現(xiàn)36脈沖的整流方式，完全滿足國家對電網(wǎng)諧波的最嚴格的要求。在帶負載時，電網(wǎng)側功率因數(shù)可達到0.95以上。在輸出側采用載波移相技術可以得到良好的正弦輸出波形(見圖2)，輸出dv/dt小，對電機及電纜的絕緣沒有任何損害。利用三次諧波補償技術提高了電源電壓利用率，滿足了異步電機對調(diào)速性能的需要。控制系統(tǒng)與功率單元采用光纖通信技術，有效解決了電磁干擾問題，并且實現(xiàn)了高壓部分與控制系統(tǒng)之間的隔離，提高了整機的安全性和可靠性。

另外控制系統(tǒng)有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，市電經(jīng)過UPS 輸出一穩(wěn)定的交流電，然后通過整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個穩(wěn)定的直流電壓，由一個高頻振蕩器得到幅度穩(wěn)定的高頻電源，再由一系列高頻變壓器及相應的整流、濾波送到各單元的控制及驅動電路(見圖3)。實際上是開關電源技術的另類應用?？刂葡到y(tǒng)電源獨立，通過高頻變壓器給各單元控制電路、驅動電路供電，容易實現(xiàn)高低壓電路之間及驅動電路之間的隔離。而且可以在不加高壓電、不加載的情況下，對整機進行調(diào)試，此時各點波形與主電路加電、加載時完全一樣，只是輸出電壓幅度小。這對設備調(diào)試、檢修和操作人員的培訓十分方便。

變頻器的用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善，采用彩色液晶觸摸屏進行監(jiān)控。可對變頻器進行全部操作，包括參數(shù)設定、功能設定、運行操作、運行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等。主界面如圖4所示。

2 風光高壓變頻器應用實例

我公司的高壓變頻器在鋼鐵、冶金、石化行業(yè)中應用已相當廣泛，如在通鋼、包鋼、阿鋼、萊鋼、濟鋼、鞍鋼、冶鋼、遼河油田、勝利油田、大慶油田、齊魯石化、巨化集團等大型企業(yè)中已得到廣泛應用，下面介紹幾個典型應用。

2.1 遼河油田6 kV/1 800 kW 注水泵的變頻改造(石油行業(yè)泵)

遼河新三聯(lián)注水站投運一臺型號為DFJ200-170AX11 的注水泵，匹配電機型號為YB1800S2-2的6 kV/1 800 kW異步電動機，采用直接驅動方式控制，離心泵流量是通過控制出口閥門的開度進行調(diào)節(jié)，造成大量節(jié)流損失,離心泵及電動機運行在低效率工作區(qū)，能源浪費比較嚴重。夏秋季節(jié)注水量相應降低，運行中離心泵實際泵壓為16.5 MPa ，注水管網(wǎng)實際運行壓力為12.5 MPa，由于多泵注水實施并網(wǎng)運行，當注水管網(wǎng)壓力升高到目前注水管網(wǎng)實際注水壓力以上時，將造成高壓注水量減少，無法滿足油井注水需求，同時污水量大于注水量將造成污水外排。為此注水電機運行時必須靠調(diào)節(jié)離心泵出口高壓回流閥門來控制注水管網(wǎng)壓力，以維持聯(lián)網(wǎng)注水平衡。這樣就使泵壓與管網(wǎng)干壓平均壓差達到4 MPa以上，造成了大量的電能浪費。

廠家經(jīng)過綜合調(diào)研和考慮，選用了山東新風光電子公司JD-BP37-1800F型號的高壓變頻器，通過應用，該變頻器可靠性高，設計合理，變頻器對電機具有軟啟動功能，啟動時無沖擊電流，減少了對電網(wǎng)的污染;安裝、維護和保養(yǎng)都比較方便，降低了值班人員的工作強度;降耗效果明顯。現(xiàn)場的系統(tǒng)構成如圖5所示。

本系統(tǒng)中，一方面在泵出口管線上安裝一只高

可靠性壓力傳感器，將實測的壓力信號與系統(tǒng)的配注壓力(期望值)相比，并將其差值送往過程參數(shù)調(diào)節(jié)器(PID)進行比例和積分運算，最后將輸出結果送給可編程控制器(PLC);另一方面在泵入口管線上安裝一只流量計，用于監(jiān)測系統(tǒng)實際總流量，將該值與系統(tǒng)配注量的差值再進行一次PID整定，最后將輸出結果送給PLC 。PLC根據(jù)所接收的兩個PID整定信號，利用模糊推理的方法，在滿足系統(tǒng)干壓的前提下，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉速。由離心泵原理知，泵轉速的變化可引起相應的排量變化，通過頻率的變化以達到期望的排量值。通過上述閉環(huán)控制，使系統(tǒng)的實際壓力和排量與系統(tǒng)的配注壓力與配注量相接近。系統(tǒng)設計為閉環(huán)控制系統(tǒng)，流量和壓力為系統(tǒng)的兩個

主要參數(shù)，將系統(tǒng)實測的流量和壓力信號與系統(tǒng)要求的流量和壓力(期望值)進行雙PID 調(diào)節(jié);通過模糊推理的方法自動尋優(yōu)控制，根據(jù)推理結果，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出，并自動計算出變頻器的最佳運行頻率。

由流體力學可知，P(功率)=q(流量)×h(壓力)，流量q 與轉速n的一次方成正比，壓力h與轉速n的平方成正比，功率P與轉速n的立方成正比,如果水泵的效率一定，當要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉速n 可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。使用變頻器前后的耗電情況統(tǒng)計見表1。

水泵電機安裝變頻器前后的注水單耗從6.79下降到5.38，不考慮其它方面的影響，則節(jié)電率=[(安裝前耗電-安裝后耗電)/安裝前耗電]×100%

=[(1 244246-698 215)/1244246]×100%=43.88%