風(fēng)光高壓變頻器在制糖行業(yè)中的應(yīng)用

1 概述

廣西農(nóng)墾金光制糖有限公司是國家重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)化企業(yè)，現(xiàn)日處理甘蔗量8 000 t，年產(chǎn)機(jī)制糖10萬t。但是近年來，隨著產(chǎn)銷量的不斷增加，企業(yè)的生產(chǎn)成本也在逐年攀升，特別是原有的鍋爐風(fēng)機(jī)及給水泵，都是高壓大功率電機(jī)，起動方式為高壓直接起動，引風(fēng)機(jī)為水阻起動，電動機(jī)起動對電網(wǎng)沖擊大、耗能高，干擾電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)起動后操作工根據(jù)鍋爐燃燒情況手動控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開度，因此產(chǎn)生風(fēng)阻比較大、電能耗高，容易發(fā)生機(jī)械故障，鍋爐供水量則通過水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制自動閥門調(diào)節(jié)供水量，供水截流損耗高。電費(fèi)居高不下，成為困擾企業(yè)發(fā)展的一大阻力?，F(xiàn)在國家普遍提倡節(jié)能降耗，隨著《中華人民共和國節(jié)能法》的頒布，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，節(jié)能降耗，已勢在必行。

隨著高壓變頻調(diào)速技術(shù)的日趨完善，高壓變頻器的應(yīng)用正日益普及。因此，采用高壓變頻器，對原來的工頻控制設(shè)備及新上設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，已成為當(dāng)務(wù)之急。為了解決75 t 鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵存在的以上問題，廣西農(nóng)墾金光制糖有限公司在2008 年檢修期對75 t 鍋爐進(jìn)行變頻節(jié)能改造。此改造項(xiàng)目被列為廣西壯族自治區(qū)經(jīng)委電機(jī)節(jié)能技術(shù)改造項(xiàng)目，項(xiàng)目投資180 萬元。

經(jīng)過考察，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司研發(fā)生產(chǎn)的高壓變頻器已在國內(nèi)著名的鋼鐵、煤炭、化工、石油、制藥等眾多企業(yè)的除塵風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵、提升機(jī)等設(shè)備上都有批量應(yīng)用，而且取得了較好的效果，因此決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器對鍋爐風(fēng)機(jī)、給水泵等設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造。

2 現(xiàn)場的設(shè)備情況

75 t 鍋爐鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)：型號YKK450-4;額定功率280 kW;額定電壓10 kV;額定頻率50 Hz;運(yùn)行電流16 A。

75 t 鍋爐引風(fēng)機(jī)電機(jī)：型號YRKK500-6;額定功率560 kW;額定電壓10 kV;額定頻率50 Hz;

運(yùn)行電流29~30 A;閥門開度80%;每年運(yùn)行時間120天左右。

給水泵電動機(jī)：型號YKK450-2;額定功率450 kW;額定電壓10 kV;額定頻率50 Hz;運(yùn)行電流28 A;工況為一用一備。

3 改造方案

為滿足高壓變頻配置中對變頻器的要求，本著安全第一、質(zhì)量可靠的方針進(jìn)行認(rèn)真的分析，認(rèn)為鍋爐引風(fēng)機(jī)采用JD-BP38-560 型、鍋爐鼓風(fēng)機(jī)采用JD-BP38-280 型、鍋爐給水泵采用JDBP38-450 型高壓變頻器完全能滿足要求。

3.1 一次回路系統(tǒng)原理

一次回路由進(jìn)線柜(旁路柜)、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護(hù)過程中或變頻器出現(xiàn)故障時，將電機(jī)投入到工頻電網(wǎng)運(yùn)行，保證生產(chǎn)不受影響。變頻運(yùn)行時，變頻器為電機(jī)提供全面的保護(hù)。

3.1.1 鍋爐鼓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)一拖一方案

如圖1 所示，保留原系統(tǒng)所有設(shè)備，將高壓變頻器串入高壓電機(jī)回路。系統(tǒng)變頻運(yùn)行時，通過改變變頻器頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。若變頻器某單元故障，變頻器自動將該單元短路，高壓變頻器可降頻運(yùn)行;當(dāng)變頻器故障單元躍2 時，高壓變頻器可手動切換到工頻運(yùn)行，保證系統(tǒng)工作的可靠性。

在圖1 中，K1、K2、K3 為電磁鎖，當(dāng)變頻運(yùn)行時，K1與K3閉合，K2斷開，當(dāng)工頻運(yùn)行時，K1與K3斷開，K2閉合。K1、K2、K3有嚴(yán)格的機(jī)械和電氣互鎖關(guān)系，不能同時閉合，防止工頻與變頻同時送電，造成事故。

3.1.2 鍋爐給水泵一拖二方案

鍋爐給水泵一拖二方案原理如圖2所示。10 kV電源經(jīng)輸入刀閘到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘送至電動機(jī);10 kV 電源還可經(jīng)旁路刀閘直接起動電動機(jī)。進(jìn)出線刀閘和旁路刀閘的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進(jìn)出線刀閘，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘，在工頻電源下起動電機(jī)運(yùn)行。旁路刀閘、輸入刀閘、出線刀閘之間有閉鎖，以防止誤操作。

變頻控制系統(tǒng)為一拖二控制方式，兩臺電機(jī)機(jī)采用一用一備運(yùn)行方式，即一臺電機(jī)在變頻運(yùn)行狀況下，另外的一臺電機(jī)處于工頻待機(jī)狀態(tài)，作為備用。電機(jī)之間可通過手動切換選擇任一臺作為變頻運(yùn)行泵，兩臺電機(jī)均具備工頻/變頻手動切換功能。系統(tǒng)還具有工頻旁路功能，萬一變頻器出現(xiàn)故障，可以轉(zhuǎn)換到工頻狀態(tài)運(yùn)行，而不會耽誤生產(chǎn)，增加了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)改造時,無需做大的改動, 只把高壓變頻器串在原來的控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)中的旁路開關(guān)柜用于工頻、變頻轉(zhuǎn)換。

變頻運(yùn)行狀態(tài)：若系統(tǒng)需要1# 電機(jī)變頻運(yùn)行，則將操作臺狀態(tài)選擇開關(guān)置于1# 變頻運(yùn)行位置，這時DK1、DK4、DK5、DK6 斷開，DK2、DK3 閉合，通過操作臺控制QF1 的斷開與閉合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻運(yùn)行與停止;如2# 電機(jī)變頻運(yùn)行，則將操作臺狀態(tài)選擇開關(guān)置于2# 變頻運(yùn)行位置，這時DK1、DK2、DK3、DK4 斷開，閉合DK5、DK6，通過操作臺控制QF2 的斷開與閉合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻運(yùn)行與停止。變頻器頻率的高低由操作臺的電位器控制或主機(jī)設(shè)置。

工頻運(yùn)行狀態(tài)：若系統(tǒng)需要1# 電機(jī)工頻運(yùn)行，則將操作臺狀態(tài)選擇開關(guān)置于1# 工頻運(yùn)行位置，這時DK2、DK3、DK4、DK5、DK6 斷開，DK1 閉合，通過操作臺控制QF1 的斷開與閉合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的工頻運(yùn)行與停止;如2# 電機(jī)工頻運(yùn)行，則將操作臺狀態(tài)選擇開關(guān)置于2#工頻運(yùn)行位置，這時DK1、DK2、DK3、DK5、DK6斷開，DK4閉合，通過操作臺控制QF2的斷開與閉合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的工頻運(yùn)行與停止。

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制器、光纖、PLC、人機(jī)界面和上位機(jī)組成。各部分之間的聯(lián)系如圖3 所示。

控制器由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。

光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向功率單元發(fā)出脈寬調(diào)制(PWM)信號或工作模式。功率單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號，并在故障時向光纖板發(fā)出故障代碼信號。

主控板采用高速DSP單片機(jī)，完成對電機(jī)控制的所有功能，采用正弦波載波移相方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過RS232 通訊口與人機(jī)界面主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)給人機(jī)界面，并接受來自人機(jī)界面主控板設(shè)置的參數(shù)。

人機(jī)界面為用戶提供友好的全中文操作界面，負(fù)責(zé)信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控而實(shí)現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。通過主控板和PLC 采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電流、電壓、功率、運(yùn)行頻率等運(yùn)行參數(shù)，提供記錄功能，并實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的過載、過流進(jìn)行報警和保護(hù)。通過RS232 通訊口與主控板連接，通過RS485 通訊口與PLC 連接，實(shí)時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。風(fēng)光變頻控制系統(tǒng)主界面如圖4 所示，參數(shù)設(shè)置界面如圖5 所示。

PLC 用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。PLC 有處理4 路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用于處理來自現(xiàn)場的流量、壓力等模擬信號或模擬設(shè)置時的設(shè)置信號;模擬輸出量是頻率給定信號。

上位機(jī)由RS485接口與PLC 進(jìn)行通訊，以方便用戶對變頻器進(jìn)行操作，并實(shí)時監(jiān)測變頻器的運(yùn)行參數(shù)，若與打印機(jī)連接，也可隨時打印工作記錄。只要設(shè)置好變頻器的各種運(yùn)行參數(shù)，操作員就可以在監(jiān)控室內(nèi)進(jìn)行各種操作，而無須進(jìn)入高壓電控室內(nèi)，既方便又安全，從而減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。

3.3 控制方式

風(fēng)光變頻器有三種控制方式：

1)本地控制從變頻器操作界面控制電機(jī)的啟動和停機(jī)，并能完成變頻器的所有控制;

2)遠(yuǎn)程控制通過內(nèi)置PLC 接受來自現(xiàn)場的開關(guān)量控制;

3)上位控制通過RS485接口，采用Propfibus通訊協(xié)議，接收上位系統(tǒng)的控制信號。

3.3 控制方式

風(fēng)光變頻器有三種控制方式：

1)本地控制從變頻器操作界面控制電機(jī)的啟動和停機(jī)，并能完成變頻器的所有控制;

2)遠(yuǎn)程控制通過內(nèi)置PLC 接受來自現(xiàn)場的開關(guān)量控制;

3)上位控制通過RS485接口，采用Propfibus

本次改造中全部采用上位控制，由操作人員在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測等。

3.4 速度設(shè)置方式(或閉環(huán)運(yùn)行時的給定方式)

風(fēng)光變頻器有多種速度設(shè)置方式，在閉環(huán)運(yùn)行時，速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式：

1)本地設(shè)置通過液晶屏設(shè)置運(yùn)行頻率;

2)模擬設(shè)置接收DCS系統(tǒng)0~10 V或4~20mA 模擬信號設(shè)置運(yùn)行頻率或被控量給定值;

3)通訊設(shè)置通過通訊方式接收來自DCS系統(tǒng)的運(yùn)行頻率或被控量給定值;

4)多檔設(shè)置通過開關(guān)量設(shè)置多檔運(yùn)行速度或被控量給定值;

5)閉環(huán)調(diào)節(jié)由PID自動設(shè)置運(yùn)行頻率。

在本次改造中，引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)采用開環(huán)控制，上位機(jī)模擬量信號4~20 mA 電流通過通訊接口對變頻器進(jìn)行控制。

而鍋爐給水泵則采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，由安裝在泵管道上的壓力傳感器采集的壓力信號4耀20 mA電流與變頻器的壓力設(shè)定信號相比較，若實(shí)際信號大于設(shè)定信號，則變頻器降低頻率，若實(shí)際信號小于設(shè)定信號，則變頻器增加頻率，從而使實(shí)際壓力與設(shè)定壓力趨于一致，保持管道壓力的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)恒壓運(yùn)行。

4 改造后的應(yīng)用效果

1)節(jié)能明顯。改造后，電機(jī)運(yùn)行電流明顯下降，鍋爐鼓風(fēng)機(jī)電流由16A 降為10耀12 A，原系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行功率P1=1.732IUcos漬=1.732伊16伊10 000伊0.80抑222 kW，變頻運(yùn)行時的功率為P2=1.732伊12伊10 000伊0.95抑197 kW，變頻改造后在鼓風(fēng)時每小時節(jié)省電能為駐P=P1-P2=222-197=25 kW，節(jié)電率為25/222伊100%=11%。

引風(fēng)機(jī)電流由29耀30 A降為20 A，原系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行功率P1=1.732IUcos漬=1.732伊30伊10 000伊0.80抑415 kW，變頻運(yùn)行時的功率為P2=1.732伊20伊10 000伊0.95抑329 kW，變頻改造后在引風(fēng)時每小時節(jié)省電能為駐P=P1-P2=415-329=86 kW，節(jié)電率為86/415伊100%=21%。

鍋爐給水泵電流由28 A降為19 A，原系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行功率P1=1.732IUcos漬=1.732伊28伊10 000伊0.80抑388 kW，變頻運(yùn)行時的功率為P2=1.732伊19伊10 000伊0.95=312 kW，變頻改造后每小時節(jié)省電能為駐P=P1-P2=388-312=76 kW，節(jié)電率為76/388伊100%=20%。

水泵和引風(fēng)機(jī)的節(jié)電率都達(dá)到了20%，鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)電率也在11%，可見，節(jié)能效果十分顯著。

2)風(fēng)光高壓變頻器具有優(yōu)良的調(diào)速性能，特別是鍋爐給水泵實(shí)現(xiàn)了自動控制，能很好的滿足負(fù)載及工藝要求。

3)變頻系統(tǒng)各種保護(hù)功能可靠，從而消除了因電機(jī)過載或單相運(yùn)行而燒毀電機(jī)的現(xiàn)象，確保了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)軟啟動，減小了啟動沖擊，延長了設(shè)備使用壽命，減少了設(shè)備的維護(hù)和維修量，降低了維修費(fèi)用。

5)改造后實(shí)現(xiàn)控制更方便、靈活，且自動化水平高。減少了調(diào)節(jié)閥門的開關(guān)次數(shù)，降低了員工的勞動強(qiáng)度。

6)通過變頻改造精簡了控制程序，使系統(tǒng)更安全、可靠，確保負(fù)載連續(xù)運(yùn)行，并消除了電機(jī)的震動，使運(yùn)行更加穩(wěn)定，操作更加方便，提高了生產(chǎn)效率，其綜合效益是十分明顯的。