大型變頻風(fēng)機傳動系統(tǒng)旁路改造的實踐與分析

李昕洋

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

0 引言

鋼鐵行業(yè)中，大型變頻風(fēng)機是工藝生產(chǎn)、環(huán)保除塵等環(huán)節(jié)主要的動力設(shè)備。從整體運行來看，風(fēng)機、電機本身的穩(wěn)定性較高，傳動系統(tǒng)特別是對于長期服役的高壓變頻器而言，由于多數(shù)采用八到十級的設(shè)計思路，其功率模塊的總數(shù)普遍較多，導(dǎo)致故障率隨著使用年限的增加而顯著升高。由于傳動系統(tǒng)整體費用較高，往往不考慮設(shè)計備用旁路，這就在穩(wěn)定生產(chǎn)秩序、保持環(huán)保排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等方面帶來隱患。

1 變頻傳動系統(tǒng)運行分析

隨著鋼鐵行業(yè)不斷淘汰落后產(chǎn)能搬遷升級，其生產(chǎn)規(guī)模和工藝設(shè)備逐步向大型化發(fā)展。從整體考慮，設(shè)備大型化相比于過去多臺套中小型設(shè)備運行而言，提高系統(tǒng)的負(fù)載能力，有效降低投資成本和運行成本，但對設(shè)備的穩(wěn)定性卻提出更高的要求。過去多臺套設(shè)備同步運行時，能夠在滿足工藝要求的前提下，實現(xiàn)單系統(tǒng)檢修或交替運行，但大型設(shè)備因單體投資較高，顯然不具備設(shè)置冗余系統(tǒng)的可行性。

按照連續(xù)生產(chǎn)或環(huán)保除塵等工藝要求，傳動設(shè)備必須具備長期服役、穩(wěn)定運行的能力，因此高壓變頻器功率模塊的故障率直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然國內(nèi)多數(shù)品牌的高壓變頻器設(shè)計單元旁路功能，即在運行過程中允許部分單元退出運行，但是旁路的成功率也隨著變頻器服役年限的增加而降低。因此，需要設(shè)備管理人員，根據(jù)電機的功率、上級進(jìn)線開關(guān)的整定值、投入產(chǎn)出比等綜合因素考慮對長期服役的傳動系統(tǒng)進(jìn)行旁路改造，使變頻風(fēng)機具備應(yīng)急啟動的功能。

2 變頻系統(tǒng)旁路改造實例分析

針對變頻旁路改造有很多應(yīng)用的實例，從性價比、穩(wěn)定性等角度來看，各種方案都有自己的優(yōu)勢，以630 kW 工藝風(fēng)機為例，分析改造過程中硬件和軟件的實施方案。

2.1 原系統(tǒng)運行存在的問題

某鋼廠球團(tuán)脫硫區(qū)域冷卻風(fēng)機是脫硫系統(tǒng)主要的工藝風(fēng)機，對解析塔內(nèi)活性焦降溫起著至關(guān)重要的作用。該電機為高壓變頻電機，功率為630 kW，驅(qū)動方式為高壓變頻器驅(qū)動。當(dāng)風(fēng)機出現(xiàn)故障不能及時恢復(fù)時，會對整個工藝流程造成嚴(yán)重的影響，使脫硫效率下降。時間稍長就會導(dǎo)致煙氣排放超標(biāo)，影響環(huán)保數(shù)據(jù)，按照環(huán)保部門要求，此時球團(tuán)生產(chǎn)必須立即減產(chǎn)，甚至停機。

風(fēng)機投入運行之初，整體運行的穩(wěn)定性較高，但受工藝影響，整體環(huán)境存在腐蝕性，運行兩年后高壓變頻器功率模塊的故障率顯著增高。考慮到工藝和環(huán)保的要求，該風(fēng)機需要具備連續(xù)運行或故障時短時間內(nèi)恢復(fù)運行的能力。從傳動系統(tǒng)設(shè)計來看，該高壓變頻器雖然具備手動直啟的功能，但存在設(shè)計缺陷。

如圖1 所示，該高壓變頻系統(tǒng)平時采用變頻運行，當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法及時恢復(fù)時，可以切換至旁路（3KM）。此時需要高壓運行人員手動合高壓開關(guān)柜，通過直啟方式啟動電機實現(xiàn)工頻運行，以保證冷卻循環(huán)系統(tǒng)恢復(fù)運行。

圖1 高壓系統(tǒng)圖

但經(jīng)過設(shè)備人員確認(rèn)，該方法雖然能夠啟動風(fēng)機，但實際存在較大風(fēng)險。該電機在工頻啟動和運行過程中，電機無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停功能，且無法投入電機振動、軸溫、定子溫度等連鎖條件。即當(dāng)系統(tǒng)需要停機或檢測到故障狀態(tài)時，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動停機。

2.2 硬件改動

首先實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，需要實現(xiàn)所有狀態(tài)的采集。高壓柜二次回路如圖2 所示，原變頻系統(tǒng)的運行返回取自變頻器，旁路運行時該點位已經(jīng)無法表示電機的實際狀態(tài)。因此需要把變頻高壓開關(guān)柜運行返回采集至PLC中。其次，由于旁路啟動和變頻啟動對應(yīng)的主程序不同，需要通過采集轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)，實現(xiàn)對啟動程序和啟動控制畫面的切換。此外，啟停機方面也需要改動。變頻狀態(tài)時，高壓柜處于合閘狀態(tài)，PLC 發(fā)送啟停機命令給變頻器，而旁路運行時需要PLC 直接給高壓開關(guān)柜發(fā)送合閘和分閘命令。

圖2 高壓柜二次回路

2.3 程序改動

程序上，需要對兩種啟動方式分別編程，并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置來切換程序的激活狀態(tài)。新增程序段如圖3 所示，無論是何種啟動方式，電機軸振故障、軸溫故障、定子溫度故障、油壓故障等條件均可觸發(fā)遠(yuǎn)程跳閘，從而實現(xiàn)保護(hù)功能，使該系統(tǒng)進(jìn)一步得到完善。并對上位畫面進(jìn)行重新設(shè)計，增加變頻、工頻啟動切換功能，以及實現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控功能。

圖3 新增程序段

2.4 操作方法的標(biāo)準(zhǔn)化

高壓人員根據(jù)新的啟機模式，重新制定操作方法。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)重故障時：①高壓人員將高壓柜轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇就地，確認(rèn)圖1 中1KM、2KM 接觸器已分開；②高壓變頻器面板上按旁路手動合閘按鈕，并將高壓柜斷路器搖至工作位；③高壓柜選擇開關(guān)選擇遠(yuǎn)方。生產(chǎn)崗位通過畫面選擇工頻控制，此時變頻控制功能隱藏，點擊啟動后，即可直啟運行。

2.5 實施效益

改造前，旁路啟動功能并不完善，各狀態(tài)無保護(hù)功能，運行風(fēng)險極高，可操作性極低；改造后，系統(tǒng)各項保護(hù)功能齊全，可長時間穩(wěn)定運行。

當(dāng)冷卻風(fēng)機高壓變頻系統(tǒng)功率模塊發(fā)生故障時，更換功率模塊至少需要1 h，現(xiàn)在可在10 min 內(nèi)實現(xiàn)旁路運行，極大的縮短故障停機時間，并可長期穩(wěn)定運行。待檢修處理變頻系統(tǒng)，為變頻故障處理創(chuàng)造較大的自由空間。并且該改造可以進(jìn)行內(nèi)部推廣，進(jìn)一步降低同類設(shè)備的隱患風(fēng)險。以每次停機節(jié)約50 min 計算，故障時可造成球團(tuán)減產(chǎn)416.7 噸，損失約25 萬元。

3 優(yōu)化方案分析

考慮10 kV 高壓電機的直啟電流約為額定電流的6～8 倍，因此風(fēng)機變頻旁路的改造方案主要從電機功率、進(jìn)線開關(guān)整定值、工藝管道承受能力等角度考慮。對于2000 kW 以下的風(fēng)機，在進(jìn)線開關(guān)整定值滿足條件的前提下，一般采用直啟的方式作為備用啟動條件。直啟后，通過控制風(fēng)門開度或葉片角度，調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，達(dá)到工藝或環(huán)保的要求。對于2000 kW 以上的電機，由于啟動電流較大，一般通過增加高壓軟啟動器的方式實現(xiàn)旁路的軟啟動功能。由于同等容量的軟啟動器的采購成本約為變頻器的1/3 左右，因此該方案具備較好的經(jīng)濟(jì)性。

無論采用何種方案，均需要將高壓變頻與直啟或高壓軟起的一次回路進(jìn)行隔離，避免反向送電。軟件方面，需要采集兩套系統(tǒng)主回路開關(guān)、接觸器等器件的狀態(tài)，通過綜合判斷保證系統(tǒng)切換時安全可靠；需要對控制方式重新進(jìn)行設(shè)計，保證兩套系統(tǒng)具備獨立的啟動、停止和連鎖功能。

其他情況，若工藝段的變頻風(fēng)機有較多的臺套，可以從設(shè)計之初考慮將容量相近電機的變頻器設(shè)計為具有互拖功能的冗余系統(tǒng)。特別是大型的工藝風(fēng)機，由于功率較高，無法實現(xiàn)直啟，且該容量的高壓軟啟動器價格也普遍較高，因此考慮設(shè)計電纜轉(zhuǎn)接柜、同期柜實現(xiàn)互拖功能是十分經(jīng)濟(jì)的手段。這樣既能保證異常狀態(tài)下的應(yīng)急啟動，又能有效降低成本。

4 結(jié)束語

大型變頻風(fēng)機傳動系統(tǒng)的旁路改造是提高設(shè)備穩(wěn)定性的重要手段。當(dāng)前，環(huán)保排放持續(xù)穩(wěn)定與生產(chǎn)經(jīng)營同等重要，旁路系統(tǒng)改造使得在傳動設(shè)備故障時能夠利用極短時間恢復(fù)設(shè)備運行，對于企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營意義重大。