炭黑生產(chǎn)線主供風(fēng)機(jī)高壓變頻改造效果分析

王偉興

(蘇州寶化炭黑有限公司)

炭黑生產(chǎn)線主供風(fēng)機(jī)高壓變頻改造效果分析

王偉興

(蘇州寶化炭黑有限公司)

對(duì)炭黑企業(yè)生產(chǎn)線主供風(fēng)機(jī)進(jìn)行了高壓變頻改造，給出了改造方案和聯(lián)鎖保護(hù)邏輯。改造方案投運(yùn)后，取得了較好的控制效果和較大的經(jīng)濟(jì)效益。

主供風(fēng)機(jī) 變頻 工頻 節(jié)能改造 電耗

炭黑企業(yè)生產(chǎn)線一般由單條小系統(tǒng)生產(chǎn)線組成，具有獨(dú)立、機(jī)動(dòng)和靈活的特點(diǎn)。企業(yè)選用反應(yīng)爐燃燒空氣主供風(fēng)機(jī)，初始設(shè)計(jì)在選擇每條生產(chǎn)線配套的風(fēng)機(jī)容量時(shí)，均按生產(chǎn)線的最大空氣量予以考慮，且留有10%風(fēng)壓和20%流量的裕量。因此即使生產(chǎn)線滿負(fù)荷運(yùn)行，風(fēng)門開度也絕不會(huì)是100%，最多僅能達(dá)到35%左右。改造前的基本工作狀態(tài)如下：

a. 風(fēng)量控制蝶閥實(shí)際運(yùn)行閥位在26%左右，該蝶閥壓阻大，在閥上產(chǎn)生了實(shí)測(cè)30～40kPa的壓力損失，所形成的工藝系統(tǒng)總阻力使風(fēng)機(jī)運(yùn)行機(jī)械能量損耗大，相應(yīng)的電耗也大；

b. 風(fēng)量控制蝶閥的壓差(30～40kPa)大，與設(shè)計(jì)要求3kPa壓差不符，流量穩(wěn)定性差，自動(dòng)控制波動(dòng)大；

c. 風(fēng)量控制蝶閥小開度運(yùn)行，對(duì)蝶閥造成沖刷磨損，降低了使用壽命；

d. 風(fēng)機(jī)配套的電機(jī)也留有裕量，是滿速全載運(yùn)行，電機(jī)的工作效率低，造成巨大電能浪費(fèi)。

筆者結(jié)合上述現(xiàn)狀，針對(duì)企業(yè)炭黑5#生產(chǎn)線進(jìn)行了硬質(zhì)線主供風(fēng)機(jī)高壓變頻節(jié)能技術(shù)改造。

1 改造前風(fēng)機(jī)運(yùn)行工藝參數(shù)和控制方案簡(jiǎn)介

原5#硬質(zhì)線主供風(fēng)機(jī)采用美國(guó)Gardner Denver多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)，電機(jī)標(biāo)配德國(guó)SIEMENS公司產(chǎn)品，電壓6kV，額定功率560kW，額定電流64A，頻率50Hz，轉(zhuǎn)速2 984r/min。按照現(xiàn)基本工藝運(yùn)行參數(shù)(風(fēng)壓86kPa，風(fēng)量11 000Nm3/h，出口風(fēng)門調(diào)節(jié)閥位26%，進(jìn)口風(fēng)門調(diào)節(jié)閥位52%，電流46A，Y接法)直接啟動(dòng)，原硬質(zhì)線運(yùn)行工藝參數(shù)和Gardner Denver風(fēng)機(jī)特性曲線如圖1、2所示。

圖1 原硬質(zhì)線運(yùn)行工藝參數(shù)

圖2 Gardner Denver風(fēng)機(jī)特性曲線

現(xiàn)場(chǎng)操作柱為手動(dòng)直接啟動(dòng)高壓6kV合閘運(yùn)行，停止則分閘控制主供風(fēng)機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)PLC聯(lián)鎖保護(hù)盤柜具有聯(lián)鎖停風(fēng)機(jī)功能，主要包含對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝信號(hào)(風(fēng)機(jī)前后振動(dòng)、風(fēng)機(jī)前后軸溫度、風(fēng)機(jī)電流高高限、風(fēng)機(jī)電流低低限)、中控DCS系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控和聯(lián)鎖保護(hù)停風(fēng)機(jī)功能，這是比較簡(jiǎn)單的風(fēng)機(jī)控制回路。

2 風(fēng)機(jī)變頻改造的系統(tǒng)方案

企業(yè)采用DLHVF1-800/06M型高壓變頻調(diào)速裝置，該變頻柜控制操作設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、安全、可靠，有互鎖防誤操作裝置，由移相變壓器、功率單元和控制器三大單元組成。盤柜主要由變壓器柜、功率柜、控制柜和旁路柜組成。高壓變頻裝置的控制部分由DSP+FPGA主控電路、人機(jī)界面和PLC共同構(gòu)成。高壓變頻器功率單元采用模塊化插拔式結(jié)構(gòu)。多副邊繞組變壓器可以將電流諧波影響幾乎減小到零。

此次變頻改造涉及兩個(gè)專業(yè)和4個(gè)空間位置：炭黑中控——完成DCS系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)裝置和信號(hào)控制回路；電氣室馬達(dá)控制中心——MCC室的變頻盤柜裝置；6kV高壓控制室——高壓二次回路裝置和高壓控制回路；現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)裝置——包含主供風(fēng)機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)操作柱及PLC聯(lián)鎖保護(hù)控制箱等。通過(guò)這4個(gè)空間和兩個(gè)專業(yè)進(jìn)行，實(shí)施一鍵啟動(dòng)方案。變頻改造組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 變頻改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

改造前啟動(dòng)時(shí)在進(jìn)口閥全關(guān)、放空閥全開、風(fēng)量蝶閥全關(guān)閉的狀態(tài)下，按下按鈕直接合高壓?jiǎn)?dòng)風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后1min之內(nèi)，為防啟動(dòng)電流過(guò)大、防止悶堵，應(yīng)打開風(fēng)機(jī)進(jìn)口蝶閥至50%左右，脫離顫振區(qū)，調(diào)節(jié)閥位使風(fēng)機(jī)電流進(jìn)入正常運(yùn)行電流內(nèi)，超過(guò)上下電流限制則直接高壓分閘停止風(fēng)機(jī)。操作人員在開啟瞬間應(yīng)高度關(guān)注。

改造后的啟動(dòng)操作流程為：進(jìn)口閥全開，放空閥全開，風(fēng)量閥全關(guān)閉，中控變頻頻率控制設(shè)置到45Hz。DCS系統(tǒng)程序自動(dòng)判斷條件具備與否，具備則發(fā)出備妥信號(hào)使現(xiàn)場(chǎng)燈亮。啟動(dòng)按鈕按下后，發(fā)出變頻預(yù)充電和合高壓指令，風(fēng)機(jī)變頻裝置由零轉(zhuǎn)速緩慢啟動(dòng)，2～3min達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)完成并轉(zhuǎn)為預(yù)設(shè)置頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。此過(guò)程相當(dāng)于軟啟動(dòng)，操作員不需要任何繁瑣操作，風(fēng)機(jī)即可運(yùn)行。一鍵啟動(dòng)方案主要融合了復(fù)雜的變頻、工頻可選擇啟動(dòng)。圖4為一鍵啟動(dòng)控制原理。

圖4 一鍵啟動(dòng)控制原理

中控DCS系統(tǒng)在變頻和工頻狀態(tài)各設(shè)計(jì)了一套聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)裝置。變頻原有溫度和振動(dòng)4個(gè)基礎(chǔ)條件，現(xiàn)增設(shè)3個(gè)電機(jī)線圈溫度條件參與控制聯(lián)鎖保護(hù)，完成備妥、一鍵啟動(dòng)、高壓合閘、故障復(fù)位及跳閘保護(hù)等一系列監(jiān)控程序。工頻繼續(xù)維持原溫度、振動(dòng)保護(hù)監(jiān)控程序。

3 DCS系統(tǒng)控制方案和組態(tài)方案

生產(chǎn)線主供風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的改造方案充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)PLC控制箱、現(xiàn)場(chǎng)操作柱、電氣MCC控制中心、6kV高壓控制室和炭黑中控DCS室所有的功能，以一鍵啟動(dòng)為主要控制方案，其中風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行具體方案如圖5所示，風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行方案如圖6所示。

圖5 風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行方案

圖6 風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行方案

備妥回路條件判斷邏輯。由于風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)存在工頻、變頻可選擇狀態(tài)，因此風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前的準(zhǔn)備條件和工作模式是不同的，為防止操作意識(shí)混淆造成故障，設(shè)置了啟動(dòng)條件的邏輯判斷。圖7為備妥回路條件邏輯判斷圖。

風(fēng)機(jī)工頻控制邏輯聯(lián)鎖如圖8所示。

風(fēng)機(jī)變頻控制邏輯聯(lián)鎖如圖9所示。

通過(guò)系統(tǒng)改造分工頻、變頻運(yùn)行后，確認(rèn)炭黑5#線主供風(fēng)機(jī)變頻改造是成功的。

4 風(fēng)機(jī)變頻改造效果

改造后，通過(guò)頻率調(diào)節(jié)嚴(yán)格控制蝶閥前后壓差在3.5kPa以上，風(fēng)量蝶閥可控制到70%閥位以上，此時(shí)應(yīng)是節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益的最高點(diǎn)，且閥位的提高延長(zhǎng)了蝶閥使用壽命。

圖7 備妥回路條件邏輯判斷

圖8 風(fēng)機(jī)工頻控制邏輯聯(lián)鎖

圖9 風(fēng)機(jī)變頻控制邏輯聯(lián)鎖

改造之前，當(dāng)電機(jī)通過(guò)工頻啟動(dòng)時(shí)，瞬間產(chǎn)生的電流是電機(jī)額定電流的7～8倍，沖擊電流將達(dá)到360A左右，增加電機(jī)線圈繞組的電磁感應(yīng)力瞬間產(chǎn)生熱量，長(zhǎng)期累積將加重線圈絕緣老化，降低電機(jī)壽命。而采用變頻后，電機(jī)實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，以零轉(zhuǎn)速零電壓?jiǎn)?dòng)，對(duì)電網(wǎng)幾乎沒有沖擊。同時(shí)也避免了全速啟動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)部件的機(jī)械沖擊，降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行使風(fēng)機(jī)的前后軸振動(dòng)降低，前后軸磨耗溫度降低，有助于風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，改造前后數(shù)據(jù)對(duì)照見表1。

表1 炭黑5#線主供風(fēng)機(jī)變頻改造前后振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

變頻改造后功率因數(shù)cosφ從0.88提升到了0.94～0.97左右。

主供風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造后，以相同風(fēng)量為參照點(diǎn)來(lái)評(píng)判此次改造的效果。此次改造工頻電流互感器位置、量程維持不變，變頻器電流為變頻裝置自帶變頻電流，輸出進(jìn)DCS監(jiān)控顯示，統(tǒng)一以高壓出線側(cè)電流變送器為功耗計(jì)算，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 主供風(fēng)機(jī)變頻改造前后性能對(duì)比

以全年300天負(fù)荷計(jì)算，改造前硬質(zhì)線每年風(fēng)機(jī)用總電量約為3 033 806kW·h，改造后每年約為1 401 235kW·h，節(jié)約了約54%的電耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

變頻改造調(diào)整了原風(fēng)量控制閥26%左右的閥位，減少了壓力損失，優(yōu)化了生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了設(shè)備運(yùn)行的壽命，同時(shí)還降低了能源消耗，極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本。

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TH44

B

1000-3932(2017)02-0200-05

2016-09-13，

2016-12-23)

王偉興(1970-)，工程師，從事現(xiàn)場(chǎng)儀表點(diǎn)檢、儀表安裝、儀表工程項(xiàng)目管理、DCS系統(tǒng)組態(tài)和維護(hù)及儀表應(yīng)用研究，WX101600@163.com。

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