唐山汇丰公司煤气加压机变频节能改造

摘  要：本文介绍了山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压变频器在唐山市汇丰炼焦制气厂煤气加压机中的应用情况。通过改造，实现了煤气加压机的高效运行，达到了节能降耗的目的。

关键词：高压变频器  煤气加压机  节能降耗

1引言

唐山市汇丰炼焦制气厂隶属于唐山市顺利实业集团有限公司。汇丰炼焦制气公司主要产品：焦炭、硫胺、煤气、苯等化工产品。制气公司焦炉焦化过程中产生的粗煤气经过捕焦油、脱硫、脱苯等，变成合乎要求的精煤气，精煤气经管道运输到加压房，经过煤气加压机增压后供给用户使用。

公司原有三条焦炉生产线，主要供给用户为：唐山市煤气公司、古冶镇煤气公司。为了扩大生产，2010年汇丰炼焦制气厂新建一条焦炉生产线，供给黑猫炭黑公司使用，新生产线生产的煤气管道没有与原系统管道联网，产生煤气目前只能部分使用，大部分都排放到大气中，浪费严重。为此，公司新建一个五万气柜项目，目的是把炼焦生产过程中产出的精煤气储存后输送到城市煤气网络，增加公司的收益，减少浪费。新建的气站主要由5万立方米气柜、加压站、煤气流量监测站、管道等构成。5万立方米煤气柜的作用是：煤气柜作为缓冲使用，焦炉生产的煤气多于用户使用量时，多余的煤气储存到煤气柜里。当用户需气量大于焦炉生产气量时，从煤气柜里抽取煤气作为补充。加压站由10台罗茨鼓风机构成。

城市居民的用气量（古冶、唐山）变化量较大，做饭时用气量较大，需要较大的供气量，夜间、凌晨等时间用气量较少，这样如果直接用工频电机恒速驱动的话，用气量无法调节，而且用气量少时容易引起后级煤气管道的压力增高，造成管道泄露危险。供给黑猫炭黑公司生产的用气量也随着生产的需要而随时变化，这样它的用气量也需要随时调节。

2现场设备介绍

焦化厂配有10台煤气加压机，该煤气加压设备为并联使用，煤气管道分六路对外供气。正常情况下七用三备。煤气加压机选用的风机为罗茨风机，罗茨风机相比于离心风机有两个主要特点：（1）启动时进风门和出风门必须完全打开，（2）进风口进入罗茨风机的气体必须完全打出去，当用气量较小时，采取放空或者打回流处理措施，造成浪费。此次改造的煤气加压机为1#、2#、3#、7#、8#、10#，这六台煤气加压机的具体参数如表1所示。

由于罗茨风机选型偏大，往往不需要罗茨风机满负荷运转，这样风机只好打开回流阀，或者采取放空处理，造成风机运行效率低下，浪费严重，厂领导为了提高煤气加压机的运行效率，经研究决定采用高压变频器改造该设备。

通过招标方式，厂领导选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38系列（10kV）6套高压变频器作为改造项目的适用设备，改造取得了成功。

3风光JD-BP38系列高压变频调速系统技术特点

风光牌JD-BP38列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于 IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。2007年，高压变频器被评为中国名牌产品。具体来说，风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外，还具有以下突出特点：        

(1)采用高速DSP作为中央处理器，运算速度更快，控制更精准。

(2)飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。

(3)完整的工频/变频自动互切技术。现在的高压变频调速系统一般设置工频旁路切换柜，变频器发生故障时能使高压电机转至工频运行，旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式，手动旁路需人工操作，适应于无备用装置或不重要的运行工况，自动旁路可在变频器发生故障后直接自动转换至工频运行。新风光公司提供的自动旁路切换柜，不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态，还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频运行的功能，整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。

(4)旋转中再启动功能。运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。

(5)线电压自动均衡技术（星点漂移技术）。变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。

(6)单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。

(7)单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高1倍。

(8) 散热结构设计合理，单元串联多重化并联结构，IGBT承受的电压较低，可以有较宽的过压范围(≥1.15Ue)，设备可靠性更高。

(9) 具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。

(10) 限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数。

(11) 故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。

4风光JD-BP38系列高压变频调速系统介绍

4.1总体结构

采用直接高压变频电路结构，功率单元多重化连接，直接输出到高压电机，提供驱动电压。从物理结构上分为控制柜，功率柜，变压器柜三大部分，根据现场工艺要求还可选配旁路柜，上位机，远控盒，结构如图1所示。

图1 高压变频器外形

4.2控制柜

变频控制柜主要有主控(CPU)、UPS、PLC、人机界面、控制电源开关、开关电源、继电器、避雷器、信号隔离器、接线端子，柜门操作按钮等部分构成，控制柜主要构成部分介绍如下。

（1）主控系统

主控系统为变频器的核心，它接收和处理来自上位控制及PLC的控制命令，产生每相各级功率单元的控制信号，同时采集和处理所有故障单元反馈回来的故障信息。新风光JD-BP38系列变频器采用高性能的主控系统，控制器采用32位DSP，运行速度可以达到150MIPS，足够完成一些较复杂的控制算法。同时其有6路独立的PWM输出、2个异步串行通讯口、16通道12位AD输入，内置了36K的RAM和256K的Flash存储器，可以存放较大规模的程序。线路板采用大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。    

（2）不间断电源UPS

UPS不间断电源，安装在控制柜的底部，属于纯在线式，当外部提供的控制电源220VAC正常时，UPS提供给控制系统稳定的220V电源，当外部电源掉电时，利用设计的电源冗余系统，相应的控制电继电器动作，转到变压器的二次绕组220V继续提供控制电源，UPS不间断工作，提供稳定的电源。只有当控制电和高压电同时掉电后，UPS利用自身的电池可继续给系统供电30分钟，同时变频器给出报警信号，用户应尽快恢复控制电源。

（3）内置PLC

变频器通过内置PLC实现内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。对开关量的数量不能满足要求时，可以用数字量扩展模块来实现。PLC作为一种技术成熟的工业控制元件，为变频器的现场应用提供灵活的接口和可靠性保证。 

4.3 功率柜

功率柜主要用于安装功率单元，实现单元的串联叠加三相输出。功率单元是使用功率电力电子器件进行整流、滤波、逆变的高压变频器部件，也是构成高压变频器主回路的主要部分。每个功率单元都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。每个功率单元由H桥构成，输出一组SPWM波，每相8个单元，通过叠加输出一组17个电平的正弦波；同一相中的每个功率单元的采样频率一致，用同一个载波进行调制，载波相差1/N个采样周期。

当功率单元出现过流、过压故障时，变频器立即封锁该单元的输出，通过软件控制，使功率单元输出电流可以经全桥逆变电路上桥臂，或者下桥臂形成电流回路实现将该单元旁路。

功率柜顶部配置冷却风机，选择德国EBM的风机，由移相变压器二次检测绕组220V供电，通过断路器由PLC控制功率柜风机的启动，当变频器启动频率运行时，风机启动。

4.4 变压器柜

变压器柜主要由移相变压器、温控仪、冷却风机等部件构成。

移相变压器的原理：将高压电源变换为副边相互绝缘的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角形的接法，相互之间有一定的相位差。

5变频改造控制方案

为了保证10kV高压电源的不间断，10kV高压电采用双回路供电，中间用联络柜连接。若其中一路失电，则另一路直接供电保持稳定。

为了保证煤气加压系统的可靠性，1#、2#、3#、7#、8#、10#煤气加压机采用4用2备。当变频器发生故障，停止运行时，备用加压机马上投入运行，这样可以保证煤气加压机的供气要求，提高了整个系统的安全稳定性。

煤气加压机变频系统具有如下特点：为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以使用UPS继续运行，不会停机；在现场速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运行，维持机组的工况不变；变频器配置单元旁路功能，在局部故障时，变频器可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失，如果变频器出现3个以上的故障单元，可自动转工频运行，可保证生产不受影响。 

6监控和操作
　　煤气加压机风机在用户用气量比较小时，只需要很低的转速，根本不需要满负荷运转。利用高压变频器根据实际需要对罗茨风机进行变速运行，既保证了供气安全，又达到节能降耗的目的和效果。
　　对煤气加压机高压变频监控具体实现过程如下：变频器操作可以在本机控制，也可以远程操作。当选择远控操作时，可以有DCS和远控箱有两种操作。变频器包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(如RS485)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。

现场操作人员可以通过DCS和远控箱对变频器进行远程操作并监控变频器运行状态，可以根据工况需要自由设定，完全可以满足工艺要求。

7煤气加压机现场控制情况

       针对现场存在的问题，系统优化改造主要需解决两方面的问题：第一，在满足用户需要用气量要求的基础上尽可能减少排量损失；第二，在满足煤气压力的前提下尽可能减少泵管压差，即减少压力损失。系统优化拟从动能和势能两方面同时入手，尽可能降低能耗、提高系统效率。

现场的系统构成框图如图4所示。

图4  现场系统构成框图

系统闭环控制过程如下：由智能传感器对各运行煤气加压机进行实时数据监控和处理，即采集和传输加压机的运行参数，如：加压机的排量Q单、电机电流I、加压机进、出口压力，加压机站出口压力P、总排量Q总等，并将这些控制参数与其期望值及加压机本身的特性曲线进行对比和优化计算。其中，加压机站供气压力是系统所需监测和控制的最主要参数。本系统中，在煤气加压机站出口管线上安装一只高可靠性压力传感器，将实测的压力信号与系统的期望值相比，并将其差值送往 DCS监控系统进行比例和积分运算，最后将输出结果送给高压变频器，DCS监控系统自动调整高压变频器的输出频率从而控制煤气加压机的转速。由罗茨鼓风机原理知，风机转速的变化可引起相应的排量变化，通过频率的变化以达到期望的排量值。系统设计为闭环控制系统，将系统实测的压力信号与供气要求的压力期望值进行PID调节，系统及时自动调整高压变频器的输出，保证在期望的压力下对外供气，实现供气的自动控制。

8 节能分析

8.1节能原理

汇丰制气煤气加压机高压变频器投入使用以来，运行情况良好，基本达到预期的改造目的。在变频改造前，煤气加压机通过打开回流阀或者放空方式进行供气，这样无疑会有一部分能量白白的浪费掉，如果采用调节加压机转速的方式来控制管道恒压输送，则既能起到节能的效果，又改善了控制性能，降低了运行噪声。

根据罗茨鼓风机的工作特性，加压机的负载特性属于恒转矩，其轴功率与转速的一次方成正比。根据现场高压变频器运行情况观察，运行频率一般在25-45Hz之间，节能效果非常明显。

8.2系统效率提高，单耗降低

系统通过高压变频装置改造后，煤气加压机满足了系统的供气要求，提高了系统效率，降低系统单耗。据分析计算，系统改造后供气单耗平均降低0.015 kW∙h/m³，目前每天供气量平均为636700m³/d，，每kW∙h以0.5元计，则一年可以节约电费为：

636700´365´0.015´0.5=174.2966万元。

8.3 调整供气量，节约煤气

由于要求的供气量的波动较大，且一天中变化频繁。对该站实施高压变频改造，可根据站外要求的用气量灵活调整站内加压机的运行，使之在满足系统压力要求的前提下尽可能减少煤气的浪费。

9结束语

煤气加压机变频改造后，除了具有显著的节能效果外，还有以下优点：实现电机软启动，启动更平滑；有效地改善了现场运行环境，现场操作人员非常欢迎；减少了维护工作量和维护费用，延长了设备的使用寿命。随着国家对节能减排工作的越来越重视，企业通过各种措施降低生产成本，其中变频技术起到了关键作用，取得了明显的经济效益和社会效益，适应了国家建设资源节约型社会的潮流。