產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
旭陽公司焦爐尾氣除塵風機變頻節能改造
1引言
旭陽煤化工集團是全球領先的煤化工產品供應商，集團總部位于北京，核心業務為生產、銷售焦炭、焦化產品及深加工煤化工產品。河北旭陽焦化有限公司是旭陽煤化工集團下屬子公司，年生產能力200萬噸焦化及配套粗苯、焦油、硫銨等。企業2009年全年實現銷售收入43億元，實現利稅5.06億元。
河北省旭陽焦化集團焦爐是焦化廠的主要生產設備，也是焦化廠生產過程中最大的污染源之一。焦化廠在生產過程、推焦過程中排放大量溫度高、濃度大的有害氣體及易擴散的煙塵，對人體危害極大。尤其在焦爐爐頂大氣中苯可溶物嚴重超標，焦爐工作區粉塵濃度也超標，嚴重危及職工的身體健康。
按照我國1996年頒布的《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297一1996），對煙氣必須冷卻、凈化，由引風機將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統中備用。因此，每座焦爐需配有一套除塵系統。一期工程的地面除塵站使用的是一臺630kW/10kV的高壓電機拖動風機，抽取前級焦爐出焦時產生的焦爐煙氣和灰塵，吸收的煙塵和氣體進入除塵站的布袋除塵器濾除粉塵和有害物質以后，高溫氣體經高爐排放到空氣中。除塵系統風機型號AI850。由于焦爐周期性間斷推焦，為滿足節能和環保要求，要求風機在整個煉焦工作周期內變速運行，推焦時高速運行，不推焦時低速運行。原系統采用液力偶合器調速，高速800rpm，低速600rpm。經過一段時間的運行，發現液力偶合器技術存在著局限性，主要表現在：
（1）調速范圍在40%～95%之間，轉速不穩定；造成能源浪費。
（2）液力偶合器本身包含油路，水路等多套系統，故障率高，液力偶合器一旦故障，只能停機維修，無法切換至工頻旁路運行，造成焦爐停產，不能滿足連續生產的需要。
（3）液力偶合器在調速越低時效率越低，調速的節能效果大打折扣。
（4）調節精度低、線性度差，響應慢。
（5）電機仍然為直接啟動，需要啟動裝置，啟動沖擊也大，并且不能頻繁啟動。
隨著高壓變頻器應用的越來越普遍，高壓變頻器的性價比越來越高，相比液力偶合器變頻器具有以下優點：
（1）高壓變頻器調速范圍大，精度高，調速范圍為0-100%。
（2）高壓變頻器是高科技產品，可靠性高，基本免維護，萬一變頻器故障，電機還可以直接掛電網工頻運行，不會造成生產損失。
（3）高壓變頻器在整個調速范圍內都具有較高的效率（大于96%）。
（4）高壓變頻器對電機及負載機械實現真正的軟啟動，如果工藝需要，電機可以在短時間內多次重復啟動。
（5）高壓變頻器不會因為電機速度的高低而增加成本，而低速大容量的電機用液力偶合器調速，成本將大大增加，有些時候甚至無法實現。
鑒于此，在2009年節能改造工作中，焦化廠領導決定對地面除塵站除塵風機（一期工程）進行改造，經多方考察，選中山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP38-630F型高壓變頻器對除塵風機進行調速。
2高壓變頻器技術改造方案
除塵風機是除塵凈化系統的動力中樞，一旦除塵風機不能正常運行，不但影響生產，還有可能威脅到現場生產人員的人身安全；另外，調速系統工作的環境比較惡劣；同時焦爐又周期性間斷推焦；所以，和除塵風機配套的高壓調速系統方案應周密細致，經過雙方技術人員的合作，制定了一期工程除塵風機的技術改造方案。改造方案如下：
2.1 設備配置
風光高壓變頻調速系統由一次回路進線柜（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過程中或變頻器出現故障時，將電機投入到工頻電網運行，保證生產不受影響。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。高壓變頻器旁路柜一次回路如圖1所示。
DL：用戶高壓真空斷路器
K1、K2、K3：高壓變頻器內置高壓隔離開關
BPQ：JD-BP38-630F高壓變頻器
D：630kW/10kV異步電動機。
圖1手動旁路柜中，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。
現場控制要求可以遠程和本機控制。風機高速運行時，如果變頻器出現嚴重故障，變頻器自動停機。遠程控制時，通過操作臺工頻/變頻旋鈕把電機切換到工頻電網運行，當推焦周期結束后，檢修變頻器。變頻器檢修完畢后，通過把操作臺工頻/變頻旋鈕打到變頻位置，返回變頻調速狀態。本機控制時，通過變頻器控制柜工頻/變頻旋鈕把電機切換到工頻電網運行，當推焦周期結束后，檢修變頻器。變頻器檢修完畢后，通過把變頻器工頻/變頻旋鈕打到變頻位置，返回變頻調速狀態。
2.2電機及風機參數
2.3除塵風機工藝要求
除塵風機用于焦炭出焦時除塵使用，該焦爐有3臺推焦車，1、2號不能同時推焦，1、2號與3號可能有同時推焦的可能，單爐推焦瞬間風量達到800rpm，兩臺同時推焦870rpm，并且需要持續80S，不推焦時600rpm就可以。
采用變頻器改造后，為了節省電能，除塵風機設計為高低速兩檔運行，不出焦時，風機轉速約600rpm；出焦時，風機升速至800rpm（或者870rpm）。
具體操作如下：推焦除塵風機平時不出焦時在低速運行（30Hz ）。推焦機開始推焦時，推焦桿離開限位推出后給變頻器發出高速信號（40Hz ），風機啟動到高速，待推焦桿退回時經一定延遲時間（40S）給變頻器發出降速信號，降為低速（30Hz）。
2.4 監控和操作
除塵風機在不推焦時，只需要很低的轉速，根本不需要滿負荷運轉。利用高壓變頻器根據實際需要對除塵風機進行變速運行，既改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。
對除塵風機高壓變頻監控具體實現過程如下：變頻器操作可以在本機控制，也可以遠程操作。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號（如RS485）的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。變頻器也可由控制室的上位機或操作臺進行操作。
現場操作人員可以通過上位機或操作臺對變頻器進行遠程操作并監控變頻器運行狀態，可以根據工況需要自由設定，完全可以滿足工藝要求。
上位機：可以通過上位機進行遠程監控，一方面便于用戶隨時了解設備運行情況，另一方面，也利于設備的遠程診斷和維護，故障問題可以及時得到解決。
操作臺：可以通過操作臺對變頻器進行簡單的遠程操作，包括：工頻/變頻切換。
2.5現場所需開關量節點
3風光牌JD-BP38-630F 高壓變頻器技術參數
山東新風光是國家高新技術企業， JD-BP38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，其諧波指標小于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。
風光牌高壓變頻器為高--高電壓源型模式，由移相變壓器，功率單元和控制器組成。JD-BP38-630F高壓變頻器采用48脈沖整流，功率單元每相采用7個功率單元串接組成，三相共21個單元；輸出相電壓為15電平，輸出線電壓 29電平，功率單元旁路單元采用可控硅作為旁路器件。控制器部分以高速微處理器實現控制以及與子微處理器間進行通信。風光高壓變頻器采用模塊化設計，互換性好、維修簡單。JD-BP38-630F高壓變頻器主要技術參數如下表3所示。
4設備運行情況
從2009年10月31日正式投入運行以來，一直正常運轉，沒有出現故障。總的來說，投入變頻器后有以下優點：
（1）運行穩定，安全可靠。原來使用液力偶合器大概60天左右就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來的巨大的經濟損失。JD-BP38系列高壓變頻器具有免維護的特點，只需定期除塵，不用停機，保證了生產的連續性。
（2） 電動機實現了真正的軟啟動、軟停止。避免了啟動時對設備的電氣和機械沖擊，使風機啟動平穩。
（3） 運行工況改善，工人勞動強度降低。
隨著焦爐生產除塵的需要，調節風機的轉速，進而調節風機風量，滿足焦爐生產工藝的需要，現場工作環境大為改善，工作強度大大降低。
（4）延長了電機、風機的使用壽命，提高了風機的利用效率。原舊焦爐除塵風機在運行過程中，經常造成風機和電機的損壞，維護工作量大，檢修費用高，采用變頻技術調速后，減少了機械磨損，保證了風機的正常運行。
（5）調速范圍寬，調速精度高。
除塵風機的風量經常需要根據工藝的需要變化，在過去液力偶合器調節時，出現執行機構的開度與流量的非線形問題，致使調節失誤，采用變頻拖動風機可以在0～50Hz范圍內任意調速，調速精度高，可保持在0.1～0.01Hz范圍內工作，便于實現除塵系統自動化控制。
（6）變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與原來舊系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
（7）節能效果顯著，大大降低了電耗。
5 節能分析
焦爐除塵風機高壓變頻器投入使用以來，運行情況良好，基本達到預期的改造目的。
除塵風機只有在推焦車推焦的時候需要高速，帶動風機高速運行使風機的吸力達到1.5KPa即可滿足工藝要求，達到除塵的效果，滿足環保要求。根據現場的實際考察，旭陽焦化公司一期的焦爐生產情況是：推焦車每天生產焦炭110爐，每一次往外推焦時都需要除塵風機高速運行，而且每一次推焦持續的時間是80S。焦爐每爐周期10min，80S要求除塵風機轉速800rpm（40Hz）或870 rpm（43.5Hz），其余時間要求風機轉速600rpm（30Hz）。
除塵風機高壓變頻器改造前后，今年和去年同期相比，以噸焦炭電耗來分析節能數據（單位：度/噸焦炭），如表4所示：
從上表4統計數據看，2009年1～6月同2010年1～6月相比較，噸焦炭電耗有較大幅度下降，下降達：18.17%，其中主要的節電是由高壓變頻器完成的。
以焦炭除塵風機消耗電量來分析節能效果，根據旭陽公司生產統計報表，2009年1～6月同2010年1～6月相比，焦化廠2009年上半年焦炭產量為438020噸，2010年上半年焦炭產量為439334噸，產量基本相同，統計除塵風機消耗電量如下表5所示：
從表5數據統計看，除塵風機節電率為：（1780720-1193034）/1780720=33%，6個月共節約用電58.7萬度，平均每月節約用電9.78萬度，年節電量可估算為：9.78×12=117萬度。以電價0.45元/度計算，焦化廠一期焦爐除塵風機年節電費：117×0.45=52.65萬元。
6結束語
從風光牌JD-BP38-630F高壓變頻器在旭陽焦化公司一期焦爐除塵風機近一年運行情況來看，變頻系統滿足了焦化廠連續生產的需要，用戶非常滿意。在今年旭陽焦化公司二期焦爐除塵風機改造中也采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-900F高壓變頻器。
