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高压变频器在活塞式空压机上的应用

发布时间:2020-04-18 作者:家庭乱伦专区电子科技

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江西宏宇能源发展有限公司是湖南省第二大民营企业——湖南五江集团在江西樟树市省级盐化工基地投资兴办的产值超百亿的集新能源、新材料、盐化工、煤化工于一体的新型工业化循环经济企业。该公司现有玻璃公司、深加工公司、焦化公司三个分公司。

焦化公司生产焦炭、煤焦油、粗苯、煤气、硫铵、硫磺等,年产捣固焦130万吨。玻璃公司生产超白太阳能玻璃、浮法玻璃、低辐射镀膜玻璃、可钢low-e镀膜玻璃(离线)、钢化玻璃、中空玻璃。深加工公司利用一次成型的平板玻璃(浮法玻璃、普通引上平板玻璃、平拉玻璃、压延玻璃)为基本原料,根据使用要求,采用不同的加工工艺制成的具有特定功能的玻璃产品。

焦化公司在捣固炼焦中产生的焦炉废气,经脱焦、脱硫、脱苯处理后,煤气通过空压机站加压后供给玻璃公司生产需要。煤气压缩机供气站有4台活塞式压缩机,适配电机规格型号630kW/10kV,额定电流为52.1A,采用2用2备制。根据玻璃生产工艺需要,煤气的压力需控制在一定范围内,由于玻璃生产中用气量负荷有变化,用气量和压缩机的排气量之间很难达到完全平衡,平常一般采用人工调节回流阀控制压力大小,采用这种方法很难保证所需要压力的稳定。如果生产用气负荷小时需打开回流阀,使气体反复压缩,运行效率低,浪费大量电能。因此,为了降低成本,对活塞式压缩机系统进行变频技术改造是非常有必要的。

公司领导通过综合调研和考虑,选用了日本摘花视频电子公司JD-BP38-800F(800kW/10kV)型号的高压变频器2台,对空气压缩机进行节能改造,改造达到了预期目的。

2高压变频器技术改造方案

煤气加压机是玻璃生产系统的动力中枢,一旦煤气加压机不能正常运行,直接影响玻璃公司生产的正常进行;另外,调速系统工作的环境比较恶劣;所以,和煤气加压机配套的高压调速系统方案应周密细致,经过双方技术人员的合作,制定了煤气加压机的技术改造方案。

2.1 设备配置

煤气加压机系统有1#、2#、3#、4#压缩机,高压变频器采用“一拖二”控制,配备手动旁路柜。1#、2#压缩机共用1#高压变频器,3#、4#压缩机共用2#高压变频器,以1#、2#压缩机共用1#高压变频器为例说明控制过程,其系统接线图路如图1所示,通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的压缩机上去。1#高压变频器可拖动1#压缩机变频运行,也可通过切换拖动2#压缩机变频运行。两压缩机电动机均具备工频旁路功能。

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图1高压变频一次系统接线图

QF1和QF2分别为现场1#和2#压缩机电源高压断路器;

QS11和QS21分别为1#、2#压缩机电源高压隔离开关;

QS12、QS22、QS13、QS23为变频器旁路开关柜高压隔离开关;

高压变频器旁路开关柜用于工/变频切换。QS11和QS21为2个高压隔离开关,变频器运行时,要求QS11和QS21同时闭合。QS12闭合,QS22断开,QS13断开,1#压缩机变频运行;QS12断开,QS13闭合,1#压缩机工频运行;QS22闭合,QS12断开,QS23断开,2#压缩机变频运行;QS22断开,QS23闭合,2#压缩机工频运行;其中,QS12与QS13、QS22实现电气互锁,QS22与QS23、QS12实现电气互锁;将控制柜“远控/本控”开关打至“远控”位置,将相应压缩机断路器“就地/远方”开关打至“远方”位置,可实现压缩机的远控操作。

2.2 压力闭环系统原理、PID设定
  由于玻璃生产系统对供气负荷需要在实际运行时进行实时调整,因此采用的是压力闭环控制,其工作原理如图2所示,测量元件为压力传感器,将它设在煤气压力储气罐上,Vi为煤气需要恒压设定值,供气压力V作为输出量,构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集供气压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算,通过PID进行调整,将结果转换为频率调节信号送至变频器,直至达到供气压力的给定值Vi。不管系统供气流量如何变化,供气压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。

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图2压力闭环供气原理框图

(1)在PID控制中,P系数加大,可以加快调节速度。但如果过大,系统容易因超调而震荡。若P太小,又会使系统的动作缓慢。P可正可负。如果比例系数为正,那么该回路为正作用回路;如果比例系数为负,那么该回路为反作用回路。本变频器P设定为0.30。

(2)积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使供气系统超调加大。所以在调节过程初期,应减弱积分作用,防止产生积分饱和现象;而到过程后期,应适当增强积分作用,以提高控制精度。本变频器I设定为5.0。

风光高压变频器内置PID功能,其中PID 结构参数具有以下选择方式:

0:比例 PID 控制只比例增益起作用

1:积分 PID 控制只积分增益起作用

2:比例+ 积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用

3:比例+ 积分+ 微分 PID 控制比例增益、积分增益和微分增益同时起作用

本变频器PID参数PID结构选择2,比例+积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用,完全可以满足供气系统的供气压力恒定要求,不需要设定微分参数。

3风光牌JD-BP38-800F高压变频器技术参数

92福利视频公司是国家高新技术企业,生产的风光牌JD-BP38系列高压变频器是“中国名牌产品”,JD-BP38系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,其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波标准,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。

风光牌高压变频器为高--高电压源型模式,由移相变压器,功率单元和控制器组成。JD-BP38-800F高压变频器采用48脉冲整流,功率单元每相采用7个功率单元串接组成,三相共21个单元;输出相电压为15电平,输出线电压29电平,功率单元旁路单元采用可控硅作为旁路器件。控制器部分以高速微处理器实现控制以及与子微处理器间进行通信。风光高压变频器采用模块化设计,互换性好、维修简单。JD-BP38-800F高压变频器主要技术参数如表1所示。

表1JD-BP38-800F高压变频器主要技术参数

变频器容量(kVA)

1000

模拟量输入

0~5V/4~20mA,任意设定

适配电机功率(kW)

800

模拟量输出

两路0~5V/4~20mA可选

额定输出电流(A)

57.7

加减速时间

1—32000S

输入频率(Hz)

45~55

开关量输入输出

可按用户要求扩展

额定输入电压(V)

10000V(-20%—+15%)

运行环境温度

0~40度

输入功率因数

>0.96(>20%负载)

贮存/运输温度

-20~70度

变频器效率

额定负载下>0.98

冷却方式

强迫风冷

输出频率范围(Hz)

0~80

环境湿度

<90%,无凝结

输出变频分辨率(Hz)

0.01

开关频率(kHz)

可设定

过载能力

105%连续, 150%允许1分钟

防护等级

IP30

4变频器调试情况

4.1现场调试

现场风机负载为活塞式煤气压缩机,现场有4台电机,2用2备,未采用变频时,2台工频同时运行,通过管道并入一主管道,主管道压力变送器杨程为:0-200Kpa,平时工作压力为160Kpa。当超过220Kpa时,一台电机跳闸,现场通过手动复位再开启。平时通过空压机的旁路来卸压。

采用变频时,采用一台工频一台变频运行,变频器为压力闭环控制,压力为储气罐的压力。变频器启动时,另外一台工频是正常运行的。变频器是带载启动,启动方式选择VF曲线方式,此时变频器报硬件过流。把变频器所带负载旁路打开,输出阀门关闭,开机正常,频率到27Hz时电流最大为52A左右。运行到50Hz,把负载旁路关闭,输出阀门打开。当给定的压力超过设定值时,变频器降频,到31Hz左右时变频器报软件过流,故障时触摸屏显示输出电流为55A左右。降到31Hz保护时,压力没有降下来,试验多次均为同一现象。把下限频率设为35Hz,把工频运行的旁路打开30%左右卸压,变频器能在35Hz到50Hz之间运行,压力也能在正常范围。35Hz时电流为52A左右,50Hz时为电流为47A左右。

根据生产要求,高压变频器要能带载启动,高压变频器要求能在25Hz到50Hz之间正常运行,实现压力闭环控制。

4.2问题解决

活塞往复式空气压缩机负载比较特殊,低频启动及运行均不易稳定,尤其是带压启动困难,现场设定普通VF方式难以适应压缩机带载启动,压缩机启动需要大启动力矩。经分析讨论,认为需使用矢量控制方式,解决启动问题。于是,设置变频器功能参数为矢量控制使能开启模式,首先将电机负载脱开,进行在空载情况下进行矢量辨识。

得到的参数辨识如表2所示。

表2  参数辨识表

定在电阻

转子电阻

漏感

互感

空载电流

一次辨识

1.893Ω

5.162Ω

0.0527H

0.7687H

22.36A

二次辨识

1.902Ω

5.157Ω

0.0527H

0.7674H

22.40A

实际使用值

1.700Ω

3.35Ω

0.0527H

0.7675H

24.00A

参数辨识完毕后按照上表进行填写电机参数,然后使用矢量控制进行运行空电机,电机运行正常。将循环阀门全开,变频器运行,相当于具有很小的负载运行。运行电流29A。运行正常,电流存在周期性波动,和现场的往复机械运动的周期有关。

现场正常运行压力为160kpa,变频器开机运行到48Hz,现场人员调整压力至210-220kpa,输出电流47.3A,运行稳定。调整频率至20Hz,运行稳定,输出电流为46.9A。

虽然压缩机启动电流波动大,现场带载可以正常启动正常。矢量控制可以提供足够的力矩启动负载。采用无感矢量控制解决了现场带载启动难题,满足了25Hz到50Hz之间可以正常运行的需求,实现了煤气压力闭环自动控制。

5变频器运行情况

为了不影响玻璃正常生产,利用玻璃厂生产间隙,对煤气加压机进行了变频改造。2016年11月初,正式投入生产,至今运行正常,改造达到了预期的效果,实施变频改造后,煤气加压机电机电流明显下降,煤气加压机实现了软起动,极大地减轻了设备起动时对供配电系统的冲击。

5.1节电效果

以1#高压变频器拖动1#煤气加压机运行,同时运行3#煤气加压机工频为例,记录1#变频器运行数据如表3所示。

表3  1#高压变频器运行数据统计

运行时间

运行压力

运行频率Hz

输入电流A

输出电流A

输入电压V

输出电压
  V

5:30-9:30

0.16MPa

34.33

25.40

45.3

10.4

6.93

9:30-16:30

0.16MPa

35.74

26.44

45.7

10.4

7.22

16:30-   22:30

0.16MPa

35.86

26.53

45.7

10.4

7.24

22:30-5:30

0.16 MPa

36

26.64

45.8

10.4

7.27

通过上表可以看出,变频器改造后,煤气加压机电流大大减小。经过厂能源利用监测中心测试,节电率达28.29%。

5.2其他效果

  1. 维护量减少。采用变频调速后,大部分时间里,煤气加压机的运行转速大大低于额定转速。由于煤气加压机启动缓慢及转速的降低,减少了煤气加压机的零部件密封、轴承的磨损,相应地延长了煤气加压机的寿命。

  2. 工作强度降低。采用变频调速压力闭环调节就不用调节回流阀,操作工作由动手转变为自动、监控,大大减轻了工人的劳动强度。

  3. 现场噪音大大降低,有效改善现场的运行环境,运行人员反映良好;便于实现煤气加压机控制系统自动化管理。

    6 结束语

    综合看来,江西宏宇能源发展有限公司煤气加压机采用家庭乱伦专区公司高压变频器进行改造,大大提高煤气加压机系统的运行效率,降低了玻璃的生产成本,对保证煤气加压系统的安全正常运行起着重要的作用。