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高压变频器在电厂上的应用
jiang_0514 发表于 2009/4/9 12:48:00 1078 查看 2 回复 [上一主题] [下一主题]
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高压交流变频调速技术是上世纪90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式（如降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力耦合调速）。变频调速以其显著的节能效益、高精确的调速精度、宽范围的调速范围、完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利和快捷的服务，使之成为企业采用电机节能方式的首选。
山东德州沪平永发造纸集团有限公司始建于1987年,其前身系平原县板纸厂,1992年与香港永发印务有限公司合资组建德州沪平永发造纸有限公司，是平原县首家合资企业。公司位于三国古城平原县城西10km,西邻105国道3km,位置优越,交通便利。公司占地面积148万m2，员工1880人，资产总额7.3亿元，其中固定资产5.5亿元。建有8条高强瓦楞原纸生产线（另有在建3条），采用亚铵法半化学浆制浆工艺，以麦草和进口废纸为原料，现年设计生产能力20万吨（在建工程投产后年设计生产能力将达30万吨），配套建设18MW热电厂和35KV变电站，同时配建4万m3/d悬挂链式深层曝气废水生化处理工程和300t/d卧管式黑液喷膜蒸发站（六体五效）工程，以制浆黑液为原料生产黏合剂和干粉，年产量约10万吨。公司年销售收入近10亿元，年利税超亿元，是山东省内集制浆、造纸、发电、治污、废液综合开发利用于一体的规模较大的重点造纸企业。
2.变频节能改造项目
该自备发电厂中的风机、水泵配置的电动机基本上都是250kW至400KW的高压电动机，因此变频变流量节能应用都需要高压变频器。但生产流程中处在不同位置的风机或水泵，和高压变频器组成的控制系统跟踪的目标是不同的，节能的效果也是不同的。
火力发电厂生产流程示意图
如图中的循环水泵8。因冷却水受发电负荷、气候的影响，冷却水温会发生变化，从而影响冷凝器4的冷凝压力并波及汽轮机3的出力和效率，即影响发电机18的出力和效率，因此循环水泵8和高压变频器组成的控制系统应当跟踪的是冷凝器4的冷凝压力，以克服发电负荷、气候变化对发电效率的影响，保持发电机组在变工况的高效运行，同时由于控制系统能够根据发电出力和气候变化自动调节冷却水量，冷却泵8也以最小的能耗，实现了发电系统的高效运行，自身也得到了最大的节能效果。
又如，图中的引风机17，分析它和变频器构成的控制系统跟踪的应是锅炉炉膛21的负压恒定，以保证在发电变负荷、大气压力随气候变化时变锅炉的高效燃烧，从而保持发电系统变工况时的高效运行。
再如，图中的送风机15，分析它和变频器、蒸汽用量传感器、煤量传感器构成的复合控制系统跟踪的应是锅炉燃烧的风煤比，以保证在发电变负荷、大气压力随气候变化时锅炉的高效燃烧，从而保持发电系统的高效运行。
分析引风机17和送风机15的变频变流量控制系统都基本上是定压变流量系统，这是风机、水泵节能工程中最常用的模式。虽然从理论上可以证明定压变流量节能模式是不节能的，但如果它服从整个发电系统高效运行的整体目标，以最小的代价实现整个发电系统的高效运行，发电系统总体上仍是节能的，它为系统的整体节能目标做出了贡献，也就发挥了变频器的极致作用，取得了优良的节能效果。同时由于风机、水泵配置容量比实际的需求容量普遍偏大（至少大30%），变频器的使用也有掩盖这个缺点取得“遮丑”的节能效果。
3.自备发电厂中的风机、水泵改造过程简述
近两年，高压变频器发展迅猛，涌现出生产高压变频器的大小厂数十家。但是，各厂家的主拓扑结构都相差无几。通过各种途径的考察与比较，山东德州沪平永发造纸集团有限公司最终选择深圳英威腾电气股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的CHH100系列高压变频器， 在2008年09月在该自备发电厂中的风机、水泵配置的电动机安装高压变频器, 进行变频节能改造，都取得良好的节能效果，下面对改造情况作一简单介绍。
1.为减小安装成本，动力电缆保留了原高压柜至电机的电缆，将电缆原接线由高压柜牵至高压变频器，再重新由高压柜到高压变频器敷设一根动力电缆，由于高压变频器房紧邻高压室，此电缆长度较短。
2.高压变频器具有远程和本机控制功能。本机控制时通过高压变频器控制柜上触摸屏可就地人工启动、停止高压变频器，可以调整电机转速、频率。远程控制放在控制室，设有操作台和上位机，由配电工操作控制。通过上位机配电工可以随时了解设备的运行情况，通过操作台可实现对高压变频器进行简单的远方操作。配电工可以根据工况自由选定高压变频器“手动/自动”调速运行。
3.系统要求控制的压力值由手操器给定（4～20mA电流信号），母管压力反馈信号经压力变送器检测后，再由DCS供给。压力比较和PID运算均由DCS完成，其变换出来信号作为变频器给定信号，以控制电动机转速，使管网的压力稳定在压力设定值上，达到自动跟踪管网压力的目的。同时，通过变频器的模拟量输出接口将管网压力、实际电压、电流、频率反馈到DCS监控系统上。变频器仍然作为一个执行机构，类似挡板特性，只是时间系数需要重新调整，这种调节方式比较简便合理，只需要DCS根据以往的工频调节方式增加变频调节回路，以前的工频挡板控制方式继续保留备用。
4.自备发电厂中的风机、水泵变频调速节能分析计算
1.风机水泵变频调速的节能原理
当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变风机水泵的性能曲线，使风机水泵的额定参数满足工艺要求，根据风机水泵的相似定律，变速前后流量、压力、功率与转速之间的关系为：
Q1/Q2=N1/N2
H1/H2=（N1/N2） ?
P1/P2= （N1/N2）?
Q1、H1、P1—风机水泵在N1转速时的流量、压力、功率
Q2、H2、P2—风机水泵在N2转速时相似工况下的流量、压力、功率
假如转速降低一半，即：N2/N1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由N1降为N2时，风机水泵的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线л-Q看，Q2与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，风机水泵仍能在同样甚至更高的效率下工作。
降低了转速，流量就不再用关小阀门来控制，阀门始终处于全开状态，避免了由于关小阀门引起的压力损失增加，也就避免了总效率的下降，确保了能源的充分利用。
工频50Hz电网直接启动，对电网和机械冲击较大，声响很大，估算其启动一次的损耗WS=0.5JωO2（1+R1/R2）TM/ TM- TL，风机水泵负载的平方转矩特性与异步电动机起动时的机械特性曲线部分相似，可以TM/ TM- TL =1计。而变频软起动损耗很小，只有上述WS的1/10，则每年的起动节能也是很可观的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
2. 自备发电厂中的风机、水泵高压变频调速节能分析计算
（1）设备参数
（2）发电机不同负荷下风机运行参数统计
（3）风机水泵节能效果分析计算
工频情况的功率计算：
由于在运行过程中，炉侧需根据机组负荷变化的要求同时调整A、B风机水泵完成过程控制量的调节，且A、B风机水泵运行性能指标一致;因此可以对A、B引风机运行数据分别合并处理。并且采用流量百分比和挡板开度之间关系的变化趋势曲线对风机水泵的变频功耗进行推倒。
Pd：电动机功率;U：电动机输入电压;I：电动机输入电流;COSφ：功率因数。计算公式：Pd=1.732×U×I×COSφ。现取14、17MW负荷点的平均开度百分比和电动机总功率数据对100%开度情况下的总耗电功率数据特性趋势进行计算，并且推测出100%开度情况下的总耗电功率值,即：100%挡板开度电动机全速运行情况下的实际总功率.
变频情况下的功率计算及节电率分析：
风机设备属平方转矩负载，其转速N与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝N,H∝N2,P∝N3,即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，
轴功率与转速的立方成正比。通过风机数据，依据
P//Pdn=（ N // N0）3=（Q//Q0）3公式
可依次求得风机在采用变频调速运行时各负荷对应的风机总功耗。Pdn为挡板100%全开情况下的功率值等于P100。对于风机负载，阀门开度的比值可近似看成是流量的比值。
变频运行情况下，较工频运行情况下的节电率：
л= （Pd- Pb）/ Pd×100%。
5.结束语
随着厂网分开，竞价上网日趋激烈，如何降低发电成本、提高发电企业竞价上网的竞争能力、加强内部管理、挖潜节能是电厂必须认真研究的一件大事，采用高压变频器对电厂高能耗用电设备如：送风机、引风机、给水泵、循环水泵等技术改造，不仅能收到直接的降低厂用电、降低供电煤耗，增大上电网电量带来的直接经济效益，而且设备乃至机组的安全可靠性提高，减少机组故障带来的隐形经济效益。高压变频器技术在发电厂有值得推广应用的广阔空间。
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引用 lthlycyj 2009/4/7 21:30:15 发表于2楼的内容
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jiang_0514 发表于 2009/4/9 12:48:00
3楼 回复本楼MM430变频器在窑尾喂料系统中的应用2009-4-6 22:54:00 吕开明 王富生 供稿 摘要： 介绍了西门子MicroMaster430 变频器在水泥回转窑窑尾喂料系统中的应用，利用冲板流量计、流量积算仪与MM430 变频器的内置PID、BiCo 实现了在来料不稳定的情况下仍能给回转窑提供稳定的入窑料流量。
关键词：MM430 变频器； 水泥旋窑窑尾喂料系统； 冲板流量计；Frequency Converter MM430 Application in Kiln Preheater
LU Kai－ming, WANG Fu－sheng
（ 1, Fangdoushan Cement Co．, Ltd．, Chongqing, 409103,2． Chongqing Shizhu Safe Production Management Bureau,Chongqing, 409100 ）
Abstract: The application of frequency converter MicroMaster430 on kiln feed system is introduced in this paper． Stable feed flow is realized by using impact flow meter, flow integrating instrument and integral PID、BiCo of frequency converter MM430．
Key words: MM430 frequency converter; Kiln feed system;Impact flow meter; PID; BiCo
1 引言
方斗山水泥有限公司Φ3m×50m四级旋风预热带窑外分解窑2003年4月改造以来， 窑尾使用电磁调速电动机和冲板流量计手动调节入窑料流量，工艺流程如图1 所示。
来自生粉仓和电收尘的混合物料经斗式提升机提升到稳流仓（29T），调节双管螺旋喂料机（LE250×2000mm 4.1～41m2 ／h） 的转速就可调节稳流仓的下料量，物料经双管螺旋喂料机后进入冲板流量计对物料计量，然后经气力提升泵提升至窑外分解炉2级筒。操作人员根据冲板流量计—流量积算仪显示的料流量手动调节电磁调速电动机的转速，以给定入窑料流量，当料流量发生波动时，操作人员必须手动调节电磁调速电动机的转速，以稳定入窑料流量。使用过程中发现在窑尾风压变化、物料湿度变化、电收尘器振打过后或生粉仓来料不均的情况下，通过双管螺旋喂料机的料流量均会频繁波动，且幅度很大，经常冒料失控，操作人员需频繁调节电磁调速电动机转速，且难以稳定入窑料流量，这给后级煅烧带来很大的不便，质量难以控制，且电磁调速电动机在恶劣环境下故障频繁，决定对其改造。
2 系统结构
利用闲置的一台西门子MicroMaster430 37kW 变频器来调节双管螺旋喂料机驱动电动机的转速，用一台Y 系列15kW 4 极三相异步电动机更换掉以前的电磁调速电动机。MM430 为通用变频器，内置PID功能简化了系统结构，FCC（磁通电流限制）改善了动态响应和电动机的控制特性，BiCo （二进制互联连接） 技术为应用设计带来了极大的灵活性。控制系统结构如图2 所示。
当在手动方式下运行时，给定信号为转速信号， 开环控制电动机转速； 当在自动方式下运行时， 给定信号为料流量信号，MM430 变频器、螺旋喂料机、冲板流量计、流量积算仪组成PID 闭环控制系统。冲板流量计输出的正比于料流量的频率信号，经流量积算仪标定（兼有显示料流量，累积料流量的功能）输出正比于料流量的1～5V 电压信号， 经隔离后反馈到MM430 变频器完成闭环控制。这是一个典型的PID 闭环控制系统，在此主要讲述变频器功能的实现。
3 变频器控制
如图3 所示，由电位器W1 提供给定电压信号进入模入通道AN1，电压表V1 指示给定电压， 电压表表盘标定为料流量0～80t ／ h 和转速（输出频率）0～50Hz 两条刻度， 以方便操作。SA1 待机／运行旋钮使用数字输入通道DI1 用于变频器的启动停机，当断开时变频器处于待机状态停止输出， 冷却风扇停机以延长使用寿命， 指示灯HG1 和HG2 同时点亮以指示变频器当前工作状态。SA2 自动／手动旋钮使用数字输入通道DI3用于系统运行方式的选择，由于大部分时间在自动方式工作，所以设置断开为自动方式。FR 为电动机热继电器常闭触点，使用数字输入通道DI4，MM430 变频器内部有较为完善的基于电动机数学模型的电子式热过载继电器，但它需要在现场检测正确的电动机参数， 有时感觉多有不便，所以使用外部热继电器为后备保护。反馈信号使用模入通道AN2，使用信号隔离器防止变频器干扰进入流量积算仪。模出通道AO1 设置为变频器输出频率指示， 模出通道AO2 设置为变频器输出电流指示。数字输出DO1 用于HR1 变频器故障或报警指示； 数字输出DO2 用于当变频器输出频率低于5Hz 超过5s 指示， 系统正常运行时输出频率一般在8Hz～45Hz， 当指示灯HG1 点亮时表明料流量波动较大可能冒料，电动机转速过低不宜长时间运行； 数字输出DO3用于变频器输出频率达到50Hz指示， 当指示灯HG2 点亮时表明可能缺料。指示灯使用24V 供电以增强系统的可靠性。
如图4 所示， 当自动／手动旋钮置于自动方式时，r0722．2 为逻辑0，通过NOT2 反相为逻辑1 把单刀双掷逻辑开关接通PID 通道，变频器在PID 闭环控制下运行，模入通道AN1此时为料流量给定。当自动／手动旋钮置于手动方式时，单刀双掷逻辑开关接通主设定通道，变频器在开环控制下运行， 模入通道AN1 此时为转速给定。
MM430 变频器故障与报警信号为两个不同的位， 分别为r0052．3 与r0052．7，两个位通过内部逻辑或OR1驱动数字输出DO1。驱动装置准备位r0052．0 与变频器的实际频率f-act＜＝p2155 （f －1）（p2155f －1 设为5Hz）位r0053．5 通过内部逻辑或OR2 驱动数字输出DO2。驱动装置准备位r0052．0 与已达最大频率位r0052．A通过内部逻辑或OR3 驱动数字输出DO3。数字输出的3 个逻辑较简单，在此未给出逻辑图。其他的一些参数设置如ADC 标定、DAC 标定、电动机参数自动监测、保护参数的设置在其他变频器中也较常用， 在此不再赘述。
4 调试中遇到的问题
（1）干扰。调试中发现当变频器有输出时， 流量积算仪受到严重干扰，频繁死机重启。由于在生产线建设时窑尾到窑头中控室的仪表通讯回路、冲板流量计—流量积算仪回路和强电回路在一个走线架上敷设，变频器安装在窑头中控室到窑尾电动机的电缆也在此走线架上敷设，且长达80m，冲板流量计—流量积算仪之间为脉冲信号，频率正好和变频器的载频接近，干扰由此产生。按变频器手册的要求，电动机机壳与变频器可靠联接且接地， 采用四芯电缆接线，干扰信号通过地线回到变频器，有效地解决了对流量积算仪的干扰。其他回路都为4～20mA 电流环或强电开关量抗干扰能力较强，未产生干扰。
（2）两个模出通道设置为电压输出，按变频器手册说明，需在端子上并联一个500Ω 电阻进行电流／电压转换，但在调试时发现，由于输出电压表V1V2 的内阻关系模出通道满偏并不能在500Ω 电阻上取得10V电压， 所以电阻增加到520Ω 结合变频器内部对两个模出通道标定使输出电压达到10V。
（3）变频器上电时跳F0080 ADC输入信号丢失故障代码，按复位键后正常。查输入信号正常且一直存在（因流量积算仪和隔离器为不间断供电）， 变频器P0762 信号丢失的延迟时间缺省值为10mS，调为1000mS 解决上电跳F0080 故障代码。
（4）PID 参数的选择。经过调试选择P＝0．4,I＝9S,D＝3S 在冒料后可以得到快速的响应，同时不至于产生振荡。当冒料发生时，变频器可以快速地降低到0，防止料流量过大，但物料仍会通过双管螺旋喂料机达数T，双管螺旋喂料机无法有效锁料的问题仍给后级设备带来压力，所以准备在双管螺旋喂料机与稳流仓之间加一级叶轮给料机，形成双闭环，以达到入窑物料恒流量控制。
（5）变频器计算的电动机温度不准确。变频器使用电动机参数自动计算功能，p0335 电动机的冷却使用缺省值0（自冷：采用安装在电动机轴上的风机进行冷却）， 运行中自动计算的电动机温度远高于实际电动机温度，频繁跳闸。p0335 电动机的冷却改为值2（自冷和内置冷却风机），自动计算的电动机温度与实际电动机温度相符。
5 结束语
MM430 的内置PID 和Bico 能够实现简单反馈和逻辑控制，避免在简单任务中使用PLC 或复杂的继电控制，从而给设计人员带来极大的灵活性，降低了系统的成本。本文所述的系统在变频器单机的情况下实现了友好的操作界面和控制功能，有效地降低了操作人员的劳动强度，减少了冒料的次数，非冒料的情况下能够稳定在目标值±2T 的范围内，即使冒料后也能够快速作出反应，不超过目标值±10T 10S，避免入窑料流量过度失控，有效地降低了入窑物料的波动范围。
参考文献：
[1]SIEMENS MICROMASTER 430 通用型变频器使用大全电子版，2003，12
引用 jiang_0514 2009/4/9 12:48:00 发表于3楼的内容
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