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高壓變頻器在化工磷肥行業風機泵類中的應用

時間：2010-10-11 15:54:54來源：majuan

導語：?隨著化工磷復肥行業近年迅速發展,在磷肥生產中，大型磷肥裝置紛紛建成投產。在生產的流程中，風機、渣漿的調速通常使用的是用液力耦合器進行調速，滿足工藝生產的需要。

前言

隨著化工磷復肥行業近年迅速發展,在磷肥生產中，大型磷肥裝置紛紛建成投產。在生產的流程中，風機、渣漿的調速通常使用的是用液力耦合器進行調速，滿足工藝生產的需要。根據各單位的實際需要，通常使用的是用液力耦合器對風機、泵進行20%~80%調速。但電機在工頻狀態下運行，多余的動能通過液力耦合器轉化成熱能讓冷卻水帶走。這樣從能源使用上和生產維護上都不經濟，結合現在高壓變頻器的技術發展，為節能減排工作提供了很好的解決辦法。采用變頻調節控制技術，取消原來的液力耦合器及相應的冷卻水泵及冷卻水，降低生產中的能源及資源消耗。做好清潔生產、節能降耗。

2現場設備介紹

云南云天化國際化工股份有限公司（簡稱云天化國際）是云天化集團有限責任公司的控股子公司。它的成立是為遵循云南省委、省政府加速培育一批國內一流、乃至世界一流的大型企業集團的總體要求，擁有高濃度磷復肥510萬噸的年生產能力，可實現銷售收入超過300億元。形成的高濃度磷復肥產能現居中國之首，亞洲第一，世界第二，形成了國內一流、國際知名的、具備規模生產各類高濃度磷復肥和專用復合肥的大型磷化工企業。

云南云天化國際化工股份有限公司富瑞分公司是云天化國際的子公司，成立于2002 年11 月11 日，在2009年的電氣節能改造工作中，對一臺710kW/6kV的CO1O1尾氣風機和二臺450kW/6kV的磷酸膏渣漿泵進行的變頻器改造，經過多家產品對比，決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP37-710F,JD-BP37-450F型變頻器。通過一年多的運行觀察分析，設備運行穩定，達到了預期目的?，F場磷酸膏渣漿泵照片如圖1所示。

現場設備尾氣風機的電機參數如下表1所示，二臺450kW/6kV的磷酸膏渣漿泵的參數相同，其中P0209A泵的電機參數如下表2所示。

表1 尾氣風機電機參數
型號	YJS500-6	額定電壓	6000V
額定功率	710kW	額定頻率	50.00Hz
功率因數	0.867	額定轉速	995r/min
額定電流	82.74A	生產廠家	蘭州電機有限責任公司

表2 磷酸膏渣漿泵電機參數
型號	YKK4504-6	額定電壓	6000V
額定功率	450kW	額定頻率	50.00Hz
功率因數	0.83	額定轉速	990r/min
額定電流	55A	生產廠家	西安西瑪電機（集團）有限公司

原系統電動機拖動渣漿泵，是將管道中的化工原料利用渣漿泵移動到另一工藝的管道中，實現生產工藝要求，原系統利用液力耦合器實現調速控制。CO1O1尾氣風機用于干燥生產出來的重鈣產品，將重鈣產品吹到干燥鍋爐內進行干燥，燃耗再進行下一步工藝流程，原系統利用液力耦合器實現調速控制。

3新風光變頻器和液力耦合器的優缺點比較

3.1液力耦合器調速

液力偶合器調速是高壓電機領域中傳統的調速方式，但能耗大、效率低，其原因是存在嚴重的耦合損失和轉差損失。耦合損失是由于液壓油內摩擦造成的；轉差損失是由于調速時輸出軸和輸入軸存在轉差造成的，這種損失隨轉差的增加而上升，即效率η=1-s，其中s為轉差率。這兩部分損失最終都變成熱損失，雖然一次投資少，成本低，但調速精度差，同時還存在嚴重非線性，只在15%~ 85%間是調節線性區，即使在這區間，仍存在增速與減速間逆差間隙，造成自動系統很難投入運行。運行不可靠，國內已有多起由于液力耦合器葉片破損造成事故的先例，其主要原因是液力耦合器制造精度難以提高。并且采用液力偶和器調速方法需要一整套油系統，維護工作量很大。

3.2變頻調速

變頻調速是通過改變電動機定子供電頻率來改變旋轉磁場同步轉速進行調速的，是無附加轉差損耗的高效調速方式。突出優點是調速效率高，啟動能耗低，調速范圍廣，可實現無極調速，動態響應速度快，調速精度高，操作簡便，且易于實現生產工藝的控制自動化。此外，在裝置發生故障后能可采取措施投入人工頻運行，不會影響生產作業是其最顯著的優點。由于它的調速性能優于其他調速技術，安裝場地條件又比較靈活，應用范圍廣泛，是市場需求增長最快的調速方式。

3.3新風光變頻器和液力耦合器的優缺點比較

表3 新風光變頻器和液力耦合器的優缺點比較
比較項目	變頻器	液力耦合器
節能效果	節能效果好，功率因數高	節能效果低，在低速時，有近3／4的能量被浪費。設備運行時需要添加水冷系統
安裝方式	安裝方便，電機和負荷不動，將其加入電源側即可	需裝在電機和負荷中間，在安裝時需將電機移位方能安裝
安全性	在出現問題后，可以進行旁路的方式運行；	出現間題后，必需停機維修
運行精度	運行精度高，可以實現精確調節，速度是由輸出頻率限定，當負荷出現波動時，轉速不變	靠油量和負荷的拉動調速，調速精度低，當負荷變化時，轉速隨之變化
運行維護費用	運行、維護費用低，在設備正常運行時無消耗品	在運行時需要加入冷卻水系統運行，一定時間后，需要對液壓油進行更換
操作性	工藝操作簡單，但是需要對電氣人員的操作、維護進行專門的培訓	工藝開車操作多了冷卻水系統的操作
經濟性	價格昂貴	價格便宜

4 新風光JD-BP37系列高壓變頻器優點

山東新風光是國家高新技術企業，生產的風光牌JD-BP37系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號，風光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。

風光JD-BP37系列高壓變頻器除具有一般普通變頻器的功能外，還具有以下性能特點：

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。

(2)飛車啟動功能：能夠識別電機的速度及轉向并在電機不停轉的情況下直接起動。為了適應國內電網波動大，系統提供旋轉中再啟動功能。從而在電網電壓波動超過＋15～－35％U0情況下，系統能夠提供有效過、欠壓保護；在電網恢復正常后，自動搜索跟蹤電動機轉速及轉向按照設定曲線恢復正常運行狀態，保證設備安全運行不跳閘。為了滿足不同現場對旋轉中再啟動功能的需求，系統提供完備的參數設定功能，真正適應現場運行工況要求。

(3)完整的工頻/變頻自動互切技術：現在的高壓變頻器一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，時間較長，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。我公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。

(4)旋轉中再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三十秒鐘內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。

(5)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）：變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。在運行中，如果有任意三個單元以內出現故障，變頻器本身會自動旁路該單元，同時變頻器主控系統具有星點漂移功能，使三相輸出線電壓保持平衡，不會對電動機造成不利影響。

(6) 具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。

5對變頻設備的技術要求

（1）保證滿足系統工藝的運行條件。

（2）不改變原有設備的運行模式和控制方式。

（3）變頻改造設備與原工頻動力系統為并聯互鎖連接關系。

（4）在保證系統運行工況的前提下進行節能。

（5）變頻設備可與原監控設備進行通訊，用于生產監控，同時提供相應的接口電路。

6變頻改造一次回路及原理

6.1磷酸渣漿泵P0209A/B一拖二系統圖

因現有6kV配電室沒有足夠空間，決定采用變頻器的1拖2功能，可分別拖動P0209A/B兩臺泵。且采用手動旁路功能。一拖二變頻調速系統原理圖如下：

它是由六個高壓隔離開關K1～K6組成（見圖2）。其中K2和K3,K5和K6安裝機械互鎖裝置；K2和K5,K4和K1有電氣互鎖。如果DL1和DL2電源同時供電，A泵工作在變頻狀態，B泵工作在工頻狀態時，K3和K4、K5分閘，K2、K1和K6處于合閘狀態；B泵工作在變頻狀態，A泵工作在工頻狀態時，K2和K1、K6分閘，K4、K5和K3處于合閘狀態；如果檢修變頻器，K3和K6可以處于任一狀態，其它隔離開關都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；DL1或DL2一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。

保持原有對電機的保護及其整定值不變。

6.2CO1O1尾氣風機主回路系統圖

尾氣風機采用一拖一運行方式，配置手動旁路柜。

圖3旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。

旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。

保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

6.3 變頻器改造后對液力耦合器的處理

經過對原系統進行分析，對原系統設備的控制由原來的液力耦合器調節改為變頻器調節，改造方案有如下兩種：一是將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通；二是將電機前移直接與負載相連，由變頻器直接對負載設備進行調速。本次改造項目采用后一種方案，變頻器設備接入用戶側高壓開關和擬改造電機之間，變頻器控制接入原有的DCS系統，由DCS系統來完成正常操作，調整負載轉速為生產工藝要求值。

6.4對外接口

模擬量輸入：2路，4～20mA 。4～20mA時輸入阻抗250Ω，用于接收速度設置或被控量設置的模擬信號；現場的流量、壓力等信號。

模擬量輸出：2路，4～20mA 。4～20mA輸出時最大阻抗500Ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度；變頻器的輸入、輸出電壓、電流、功率及功率因數等變量。

數字量輸入：12路，光電隔離，隔離電壓500VAC。接收遠程控制信號，速度給定開關信號及各開關狀態等。

數字量輸出：9路，中間繼電器隔離，隔離電壓750VAC，接點容量5A。輸出變頻器狀態，控制主電源開斷。

通訊接口：提供隔離RS485，MODBUS、以太網等通訊規約，實現與上位系統的通訊。

7效益分析

7.1 二期磷酸渣漿泵P0209節能效果統計分析

表4 二期磷酸渣漿泵P0209節能效果統計分析
序號	變頻改造前運行情況（統計）		變頻改造后運行情況（帶風機）
	時間	運行電流	時間	輸入電流	輸出電流	運行頻率
1	2009.3.20	28.1A	2009.5.21	24.0A	55.2	43.0Hz
2	2009.3.21	28.2A	2009.5.22	5.9A	39.3	25.0Hz
3	2009.3.22	27.3A	2009.5.23	18.1A	50.4A	34.5 Hz
4	2009.3.23	28.5A	2009.5.24	13.2A	48.5A	32.6Hz
5	2009.3.24	28.2A	2009.5.25	22.4A	53.8 A	39.8Hz
6	2009.3.25	27.6A	2009.5.26	18.5 A	50.7 A	34.6Hz
7	2009.3.26	28.3A	2009.5.27	14.3A	49.1A	33.4Hz
8	2009.3.27	28.1A	2009.5.28	22.0A	54.2A	41.0Hz
9	2009.3.28	27.7A	2009.5.29	14.0 A	48.3A	34.0Hz
10	2009.3.29	28.8A	2009.5.30	14.2 A	49.4 A	34.0Hz
11	2009.3.30	28.1A	2009.5.31	15.4A	48.5 A	35.0Hz
12	2009.3.31	27.5A	2009.6.1	7.8A	41.6 A	26.0Hz
改造前平均運行電流：27.8 A；負載率：50.3 %			改造后平均運行電流：16.2A；負載率：29.3%
結果	通過12天性能考核分析：改造后節能：50.3%-29.3%=21%, 21%×450kW=94.5kW·h；一年按開車300天計算，可節約電量：94.5×24×300=68萬度。每度電按0.3元計算，一年可節約電費68×0.3=20.4萬元。

7.2 CO1O1尾氣風機節能效果統計分析

表5 CO1O1尾氣風機節能效果統計分析
序號	變頻改造前運行情況（風門調節）				變頻改造后運行情況（帶風機）
	時間	最高電流	最低電流	平均電流	時間	最高電流	最低電流	平均電流
1	2009.3.20	60.5A	58.5A	59.5A	2009.5.21	28.0A	26.0A	27.0A
2	2009.3.21	61.7A	60.1A	60.9A	2009.5.22	28.6A	25.5A	27.1A
3	2009.3.22	61.2A	59.3A	60.3A	2009.5.23	27.6A	26.3A	27.0A
4	2009.3.23	62.9A	60.5A	61.7A	2009.5.24	29.0A	27.3A	28.2A
5	2009.3.24	61.0A	59.2A	60.1A	2009.5.25	29.2A	27.6A	28.4A
6	2009.3.25	60.8A	59.2A	60.0A	2009.5.26	29.2A	27.5A	28.4 A
7	2009.3.26	59.8A	57.6A	58.7A	2009.5.27	28.2A	27.4A	27.8A
8	2009.3.27	60.2A	58.6A	59.4A	2009.5.28	30.2A	28.1A	29.2A
9	2009.3.28	61.2A	59.4A	60.3A	2009.5.29	28.8A	27.1A	28.0A
10	2009.3.29	59.2A	57.3A	58.3A	2009.5.30	29.8A	27.1A	28.5 A
11	2009.3.30	60.3A	58.2A	59.3A	2009.5.31	28.1A	26.8A	27.2A
12	2009.3.31	60.9A	58.9A	59.9A	2009.6.1	29.2A	27.4	28.3A
改造前平均運行電流：59.9A；負載率：72.3%					改造后平均運行電流：27.9A；負載率：33.7%
結果	通過12天性能考核分析：改造后節能：72.3%-33.7%=38.6%，38.6%×710kW=274.1kW·h；一年按開車300天計算，可節約電量：274.1×24×300=197.4萬度。每度電按0.3元計算，一年可節約電費197.4×0.3=59.21萬元。

通過以上兩個案例分析，由此可見，在滿足生產要求的條件下，采用變頻調速便可將風門或液離耦合器耗費的電能節約下來，一年節省電費79.6萬元。

綜合效益：通過降低綜合運營成本最高可達50%（電費成本＋設備故障成本＋設備維護成本＋設備更新成本＋耦合器的冷卻水系統運行成本）。另外由于變頻器具有軟啟停功能，延長了設備的使用壽命。由此產生的間接效益將是無法估量。

8結束語

總之，云天化國際富瑞公司在風機、泵類負載進行高壓變頻節能改造不管從操作、運行維護，還是節能方面都取得很好的效果，是成功的。其控制方便，靈活，優良的調速性能，完全可以滿足生產工藝的要求;良好的節能效果，可以提高系統的運行效率。變頻器的使用大大提高了系統的自動化控制水平，使整套設備的控制系統變得更加安全可靠，從而保證了生產的高效和穩定。

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