高壓變頻器在干熄焦循環風機系統的應用研究

賀林

山西焦化股份有限公司 山西 臨汾 031400

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

1 干熄焦循環風機的工藝要求

干熄焦循環風機是干熄焦氣體循環系統中的關鍵核心設備，為氣體循環提供動力，根據工況調節循環風量，控制排焦溫度及鍋爐入口溫度。在干熄焦氣體循環系統的設計中，循環風機的控制方式一般有2種:循環風機不調速，采用翻板閥門來調節風量;循環風機采用液耦或變頻調速來調節風量。循環風機采用變頻調速技術可以更精確地調節循環氣體的流量，有利于干熄焦鍋爐的穩定運行。

循環風機的工藝技術參數：型號GXS160；形式，雙吸入離心式風機；容積流量，232000m3/h；壓力，風機全壓 13.5kPa，入口靜壓約-4.5kPa；介質密度，0.77kg/m3；轉速，1490r/min。

高壓電機的工藝技術參數：型號，YKK630-4；額定功率，2240kW；額定電壓，6kV；額定電流，248A；額定轉速，1486r/min；功率因數，91%。循環風機的風量要求隨著干熄焦系統排焦量的變化而變化，主要目的是穩定系統的排焦溫度及鍋爐入口溫度，風量的調節通過循環風機變頻調速來實現。變頻器控制方式選擇:遠程及本地。當選擇開關打到遠程位置時，控制權交給干熄焦中控室 EI 系統的后臺上位工控機；當選擇開關打到本地位置時，控制權交給變頻器。正常工作時，循環風機的入口檔板全開，在干熄焦中控室EI 系統的上位工控機畫面上給定頻率，控制風機的轉速，調節風量。

2 變頻調速控制的系統性能特點

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

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

（2）輸入功率因數高，電流諧波少，無須功率因數補償/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）標準操作面板配置或彩色液晶屏全中文操作界面。

（5）內置 PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要。

（6）支持 Profibus、Modbus、TCP/IP 等多種通信協議。

（7）可接受和輸出0～10V／4～20mA工業標準信號。

（8）直接內置PID 調節器，可開閉環運行。

3 基本控制原理

利用變頻器恒壓供風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，與設定的壓力進行比較，經過PID控制器或PLC調節后，在線自動調節變頻器的給定值來控制電機轉速，從而控制風機的轉速，使主管道壓力始終穩定在設定值上，達到壓力穩定的目的。它的控制原理是閉環控制，控制原理框圖見圖1。

圖1 恒壓控制原理圖

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

4 高壓變頻器調速系統原理

4.1 系統結構

HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統結構見圖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）個功率單元串聯構成一相。

圖2 高壓變頻調速系統結構圖

4.2 功率單元結構

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

4.3 輸出側結構

輸出側由每個單元的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力。

圖3 高壓變頻調速系統輸出的相電壓階梯PWM波形

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

5 設備運行特點

干熄焦循環風機變頻的投運調試過程順利，投運一次成功。該變頻技術成熟，性能良好，優點主要體現在：

（1）運行穩定，安全可靠。設備自投運以來，一直運行正常，沒出現過故障，并具有免維護的特點，只需定期清洗柜門上的通風濾網。

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

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

（4）適應電網電壓波動能力強。盡管廠區內電網電壓波動頻繁（電壓波動范圍為5.7～6.3kV），變頻器運行仍穩定正常。

（5）節能效果顯著。根據現場實際運行工況，排焦量在140t/h左右時，系統所需風量約為額定風量的30%，此時變頻器的運行頻率為 40Hz。

6 結束語

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

2）系統具有軟啟動功能，減小了在啟動鼠籠式電動機時對電網的沖擊，對整個電網起了保護作用，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速來調節風機的風量和風壓，真正實現了風量和風壓的無級調速，波動很小；

4）采用變頻調速，風機擋板始終保持全開狀態，降低了磨損，且大力矩執行機構工作次數減少，故障率降低。