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(guó)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(wàn)t。但是近年來(lái),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(dòng)方式為高壓直接起動(dòng),引風(fēng)機(jī)為水阻起動(dòng),電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)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(dòng)后操作工根據(jù)鍋爐燃燒情況手動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開(kāi)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(guò)水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制自動(dòng)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(guó)家普遍提倡節(jié)能降耗,隨著《中華人民共和國(guó)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(shì)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(duì)原來(lái)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(wèn)題,廣西農(nóng)墾金光制糖有限公司在2008 年檢修期對(duì)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(wàn)元。
經(jīng)過(guò)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(guó)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(duì)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(chǎng)的設(shè)備情況
75 t 鍋爐鼓風(fēng)機(jī)電機(jī):型號(hào)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(hào)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(kāi)度80%;每年運(yùn)行時(shí)間120天左右。
給水泵電動(dòng)機(jī):型號(hào)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(duì)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(guò)程中或變頻器出現(xiàn)故障時(shí),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(shí),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(shí),通過(guò)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(dòng)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(shí),高壓變頻器可手動(dòng)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(shí),K1與K3閉合,K2斷開(kāi),當(dāng)工頻運(yùn)行時(shí),K1與K3斷開(kāi),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(shí)閉合,防止工頻與變頻同時(shí)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(dòng)機(jī);10 kV 電源還可經(jīng)旁路刀閘直接起動(dòng)電動(dòng)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(kāi)進(jìn)出線刀閘,將變頻裝置隔離,手動(dòng)合旁路刀閘,在工頻電源下起動(dòng)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(tái)電機(jī)機(jī)采用一用一備運(yùn)行方式,即一臺(tái)電機(jī)在變頻運(yùn)行狀況下,另外的一臺(tái)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(guò)手動(dòng)切換選擇任一臺(tái)作為變頻運(yùn)行泵,兩臺(tái)電機(jī)均具備工頻/變頻手動(dòng)切換功能。系統(tǒng)還具有工頻旁路功能,萬(wàn)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(huì)耽誤生產(chǎn),增加了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)改造時(shí),無(wú)需做大的改動(dòng), 只把高壓變頻器串在原來(lái)的控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)中的旁路開(kāi)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(tái)狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)置于1# 變頻運(yùn)行位置,這時(shí)DK1、DK4、DK5、DK6 斷開(kāi),DK2、DK3 閉合,通過(guò)操作臺(tái)控制QF1 的斷開(kāi)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(tái)狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)置于2# 變頻運(yùn)行位置,這時(shí)DK1、DK2、DK3、DK4 斷開(kāi),閉合DK5、DK6,通過(guò)操作臺(tái)控制QF2 的斷開(kāi)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(tái)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(tái)狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)置于1# 工頻運(yùn)行位置,這時(shí)DK2、DK3、DK4、DK5、DK6 斷開(kāi),DK1 閉合,通過(guò)操作臺(tái)控制QF1 的斷開(kāi)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(tái)狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)置于2#工頻運(yùn)行位置,這時(shí)DK1、DK2、DK3、DK5、DK6斷開(kāi),DK4閉合,通過(guò)操作臺(tái)控制QF2的斷開(kāi)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(hào)板,一塊主控板和一塊電源板組成。
光纖板通過(guò)光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號(hào),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(hào)或工作模式。功率單元通過(guò)光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號(hào),并在故障時(shí)向光纖板發(fā)出故障代碼信號(hào)。
主控板采用高速DSP單片機(jī),完成對(duì)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(guò)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(lái)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(guò)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(duì)電機(jī)的過(guò)載、過(guò)流進(jìn)行報(bào)警和保護(hù)。通過(guò)RS232 通訊口與主控板連接,通過(guò)RS485 通訊口與PLC 連接,實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理,增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場(chǎng)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(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的流量、壓力等模擬信號(hào)或模擬設(shè)置時(shí)的設(shè)置信號(hào);模擬輸出量是頻率給定信號(hào)。
上位機(jī)由RS485接口與PLC 進(jìn)行通訊,以方便用戶對(duì)變頻器進(jìn)行操作,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器的運(yùn)行參數(shù),若與打印機(jī)連接,也可隨時(shí)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(wú)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(dòng)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(dòng)和停機(jī),并能完成變頻器的所有控制;
2)遠(yuǎn)程控制通過(guò)內(nèi)置PLC 接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量控制;
3)上位控制通過(guò)RS485接口,采用Propfibus通訊協(xié)議,接收上位系統(tǒng)的控制信號(hào)。
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(dòng)和停機(jī),并能完成變頻器的所有控制;
2)遠(yuǎn)程控制通過(guò)內(nèi)置PLC 接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量控制;
3)上位控制通過(guò)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(cè)等。
3.4 速度設(shè)置方式(或閉環(huán)運(yùn)行時(shí)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(shí),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(guò)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(hào)設(shè)置運(yùn)行頻率或被控量給定值;
3)通訊設(shè)置通過(guò)通訊方式接收來(lái)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(guò)開(kāi)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(dòng)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(kāi)環(huán)控制,上位機(jī)模擬量信號(hào)4~20 mA 電流通過(guò)通訊接口對(duì)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(hào)4耀20 mA電流與變頻器的壓力設(shè)定信號(hào)相比較,若實(shí)際信號(hào)大于設(shè)定信號(hào),則變頻器降低頻率,若實(shí)際信號(hào)小于設(shè)定信號(hào),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(shí)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(shí)每小時(shí)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(shí)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(shí)每小時(shí)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(shí)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(shí)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(jiàn),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(dòng)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(guò)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(dòng),減小了啟動(dòng)沖擊,延長(zhǎng)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(dòng)化水平高。減少了調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)關(guān)次數(shù),降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。
6)通過(guò)變頻改造精簡(jiǎn)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(dòng),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。