1引言

变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果，改善设备的运行工况，提高系统的安全可靠性，延长设备使用寿命等优点，成为现代电力传动技术的一个发展方向。而通过调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象的方法，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。随着当今社会市场竞争不断加剧，采用变频调速技术对这类负载进行改造，成为社会的潮流。

2用户现场设备介绍

山西某煤化公司是一家集煤炭深加工及发电为一体的综合性公司，其下属焦化公司有一条年产60万吨焦炭的炼焦生产线，其主要产出为焦炭、焦油及煤气。煤气主要供给后面的电厂发电用。在焦化公司与电厂之间传输煤气用的两台煤气加压机，其主要功能是把焦化公司的焦炉产出的煤气经过风机吸收后，经过加压、通过管道输送给电厂锅炉作为燃气发电。煤气加压机前级为焦捕柜，焦化炉产出的煤气含有较多的焦油。焦捕柜的作用是把煤气中含有的焦油吸收掉。

焦化厂配有两台煤气加压机，该设备为煤气加压系统中并联使用，正常情况下一用一备。煤气加压机选用的风机为罗茨风机，罗茨风机相比于离心风机有两个主要特点：（1）启动时进风门和出风门必须完全打开，（2）进风口进入罗茨风机的气体必须完全打出去。其生产流程图如图1所示。

 图1 焦化厂生产流程图

这两台煤气加压机的具体参数如表1所示。

该设备由于输送的是煤气，煤气中不可避免的含有一些焦油。罗茨风机由于长期运行以后粘附有很多焦油，增加了设备的阻力。另外罗茨风机为风门全开的情况下启动，而且焦油在较冷的情况下阻力更大，所以罗茨风机为典型的重载启动负载。

原系统6kV高压断路器直接送到电机，没有其他软起设备，高压电机与罗茨风机直接用靠背轮连接。该设备由于是重载启动，并且焦油冷态时阻力很大，所以直接启动时启动电流大，容易造成断路器跳闸，需要多次合闸才能启动。并且启动前还需要给罗茨风机打高温蒸汽加热。另外直接启动有可能影响罗茨风机内部气隙。由于罗茨风机选型偏大，电厂往往不需要罗茨风机满负荷运转，这样风机只好打开回流阀，造成风机运行效率低下，浪费严重，厂领导为了提高煤气加压机的运行效率，经研究决定改造该设备，增加两套高压变频器，采用压力闭环控制。

经过多方考察，通过招标方式，厂领导决定采用开云(中国)电子科技股份有限公司生产的JD-BP37-315F（315 kW /6kV）高压变频器2套作为罗茨风机的改造设备，改造取得了成功。

3风光公司JD-BP37-315F高压变频调速系统介绍

3.1JD-BP37-315F高压变频器技术指标

JD-BP37-315F高压变频器技术指标如表2所示。

3.2 JD-BP37-315F高压变频器技术特点

风光牌JD-BP37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，属高-高电压源型变频器，其谐波指标小于IEEE519-1992的谐波国家标准，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。具体来说，风光高压变频器除具有一般普通高压变频器的性能外，还具有以下突出特点：

(1)高性能矢量控制，启动转矩大，转矩动态响应快，调速精度高，带负载能力强，提高了设备运行的平稳性；

(2)振荡抑制技术，采用优越的电流算法，有效地抑制轻载电机电流的振荡，保证系统稳定可靠的工作；

(3)快速飞车启动技术，特别适用于变频保护后的重新启动，可实现变频器在0.1s之内从保护状态复位重新带载运行；

(4)电网瞬时掉电重启技术，电网瞬间掉电可自动重启，可提供最长60s的等待时间；

(5)星点漂移技术，检测到单元故障后，可在100us之内将单元旁路，执行星点漂移技术，保持输出线电压平衡，最大程度提高电压利用率；

(6)工、变频无扰切换技术，该技术可满足多电机综合控制及大容量电机软启动的需要；可以实现大容量电机双向无扰动投切，能有效保证生产的正常进行；

(7)输出电压自动稳压技术，变频器实时检测各单元母线电压，根据母线电压调整输出电压，从而实现自动稳压功能；

(8)故障单元热复位技术，若单元在运行中故障，且变频器对其旁路继续运行，此时可在运行中对故障单元进行复位，不必等变频器停机；

(9)多种控制方式，可选择本机控制、远控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通讯协议，频率设定可以现场给定、通讯给定等，支持频率预设、加减速功能；

(10)单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握；

(11)单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高1倍；

(12)具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生；

(13)限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数；

(14)故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。

4变频改造控制方案

为了充分保证煤气加压系统的可靠性，变频器加装了工频旁路装置，两台煤气加压机现有的控制设备和运行方式仍将保留，控制回路上设计工频/变频运行切换选择，工/变频选择由人工切换操作，实现两台煤气加压机在工频或变频运行。

通过目前已有的DCS系统可显示变频器的运行数据和当前状态，实时监控系统运行。操作方面，有远程控制和本地控制2种控制的方式，这2种控制方式可提高系统的安全性能。变频器内置PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(如RS-485)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。

5高压变频器主回路控制方案

该用户采用两台JD-BP37-315F（315kW/6kV）高压变频器分别控制两台煤气加压机，高压变频器设备安装在风机值班室内，原高压柜至电机的高压电缆用做改造时电机至变频器连接电缆，变频器至高压柜电缆重新敷设，同时敷设集控室至高压变频器的控制电缆用于变频器的远程控制，采集现场设备状态信号，实现设备的控制调节及信号反馈。此外还需敷设一根高压柜至变频器的控制电缆，用于高压柜合闸允许和高压柜紧急分闸控制。

两台高压变频器主回路控制方式相同，以A煤气加压机主回路控制为例说明，如图2所示。

 图2 手动旁路柜

图2旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向1#变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K3闭合，K2断开时，A煤气加压机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合时，A煤气加压机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。

旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁，DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。

故障分闸：将1#变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当1#变频器出现故障时，分断1#变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。

6压力闭环控制系统原理、PID设定

由于该公司需要对煤气压力进行控制，因此采用压力闭环控制，其工作原理框图如图3所示，测量元件为压力传感器，将它安装在罗茨风机出气口的官道上，Vi为需设定压力值，压力传感器测量压力V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器通过采集测量V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过内置PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到给定液位的给定值Vi。

图3  压力闭环控制原理框图

（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0.5。

（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闭环系统超调加大。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15.0。

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结构功能选择2，比例+积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用，完全可以满足压力闭环控制系统的控制要求，不需要设定微分参数。

7生产工艺参数调整

原系统改为变频调速系统以后，有一些问题需要重新设定。如：放散阀的压力设定，未改造前的原工频运行，放散阀的压力为5kPa，也就是当罗茨风机后级的气压达到5kPa以上时，才开启放散阀，排泄出多余的煤气。由于罗茨风机的工作特点，必须把进风阀门进入的气体完全打出去，当后级的气压较高时，罗茨风机负荷较重，电机电流已经超过额定值较多，变频器控制方式采用矢量控制，下限频率设定为20Hz。经过与客户沟通后，正常煤气加压压力为3kPa左右，基本满足正常生产需要。这样煤气加压系统可以进一步降低消耗。

8变频器运行情况

A、B煤气加压机变频节电改造后，2015年7月中旬，正式投入生产，至今运行正常。系统达到了预期的效果：实施变频改造后，煤气加压站总用电量有明显下降，设备实现了软起动，改善了设备的运行工况，极大地减轻了罗茨风机起动时对供配电系统的冲击。

为了对比变频改造节能情况，对工频、变频相应的运行数据进行了一周统计，以A煤气加压机的运行数据如表3所示。

改造后，A煤气加压机的节电率为：（209.30-145.99）/209.30=30.25%，该设备年运行时间300天，每天运行24h。按0.51元/kW• h计算，年节省电费：

（209.30-145.99）kW×24h×300d×0.51元/ kW• h =232474.6元。

除了节能效果显著外，还具有以下效果：

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

（2）工作强度降低。改造后采用压力闭环控制，就不用调节放风阀，操作工作由手动转变为自动、监控，完全实现生产的无人操作，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；便于实现煤气加压站机组控制系统自动化管理。

9 结束语

经过变频改造后，煤气加压机实现软起软停，不仅大大降低了工作人员的劳动强度，而且使整个工艺流程更稳定，达到了较好的节能效果。随着国家对节能减排工作的越来越重视，企业通过各种措施降低生产成本，其中变频技术起到了关键作用，取得了明显的经济效益和社会效益，适应了国家建设资源节约型社会的潮流。