淺談焦爐煤氣鼓風(fēng)機高壓變頻調速控制系統的設計

一、前言

　　 天鐵冶金集團有限公司焦化廠(chǎng)現有58型焦爐兩座和JN43-80型焦爐一座，以及配套的備煤、煤氣；凈化、輔助化工原料回收、污水處理等一套完善的生產(chǎn)系統，年產(chǎn)焦炭112萬(wàn)噸，焦爐煤氣5億立方米，焦油45000噸，粗苯13000噸，硫酸銨15000噸，以及日處理污水2400噸的能力。

　　
　　隨著(zhù)焦炭產(chǎn)量提高，煤氣收集壓力增大，原抽氣鼓風(fēng)機一運兩備的運行方式在夏季高溫天氣情況下已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，主要原因是煤氣壓力增大、溫度增高，若不能及時(shí)排出將可能發(fā)生爆炸。焦爐生產(chǎn)工藝中，集氣管煤氣壓力的控制效果將直接影響焦爐的生產(chǎn)。如果爐內壓力過(guò)高，會(huì )導致焦爐冒黑煙，煤氣外泄，嚴重污染環(huán)境，給現場(chǎng)工人的工作和健康造成極大影響和危害；如果爐內壓力過(guò)低，炭化室將出現負壓操作，會(huì )吸入大量空氣，浪費大量的煤氣，嚴重影響焦炭和煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量，并且長(cháng)期負壓操作將會(huì )影響焦爐的正常生產(chǎn)及壽命。

　　 如果要鼓風(fēng)機實(shí)施兩運一備運行方式，通過(guò)調整回流閥（也稱(chēng)小循環(huán)閥）的開(kāi)度來(lái)調節煤氣總管壓力，由于鼓風(fēng)機前后壓差較大，使得調節閥輕微動(dòng)作，總管壓力就會(huì )發(fā)生劇烈波動(dòng)，超過(guò)工藝容許范圍。因此會(huì )引起回爐煤氣壓力及外網(wǎng)用戶(hù)煤氣量均發(fā)生劇變，造成焦爐煤氣量不足或外網(wǎng)用戶(hù)不能正常生產(chǎn)，并且煤氣回流造成能量浪費。通過(guò)多方調研，焦化廠(chǎng)的技術(shù)人員提出使用變頻調速來(lái)改變鼓風(fēng)機轉速，從而調節集氣管的壓力方案。

　　 高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在80年代中期才開(kāi)始形成，但隨著(zhù)大功率電力電子器件的迅速發(fā)展和巨大的市場(chǎng)推動(dòng)力，高壓變頻器十多年來(lái)的發(fā)展非常迅速，使用器件已經(jīng)從SCR、GTR、GTO發(fā)展到IGBT、IECT、IGCT（SGCT）等，功率范圍從幾百kW到幾十MW，技術(shù)已經(jīng)成熟，可靠性得到保證，應用越來(lái)越廣。天鐵冶金集團有限公司焦化廠(chǎng)在考察對比了國內外多家高壓變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家后,決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A系列高壓變頻器。 ARSVERT-A系列高壓變頻器性能穩定,可靠性高,并且已在電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個(gè)領(lǐng)域成功應用，得到了用戶(hù)的普遍認可和市場(chǎng)的長(cháng)久考驗。

二、系統方案設計

1.系統電氣設計

　　 天鐵集團焦化廠(chǎng)有三臺D1350-1.237/0.887煤氣鼓風(fēng)機，平時(shí)采用一運兩備方式，夏季才用兩運一備方式。根據實(shí)際工況要求設計主回路電氣結構圖，選用HARSVERT-A型高壓變頻器一拖一和一拖二成功方案。
　　
1.1電氣主回路原理
　　 　　
　　 以1#鼓風(fēng)機為例說(shuō)明，工作原理是由3個(gè)真空接觸器KM11、KM12、KM13以及2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS11、QS12組成（見(jiàn)圖一），其中KM11、KM12、KM13為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動(dòng)切換。QS11和QS12為高壓隔離開(kāi)關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時(shí)拉開(kāi)，用于電機工頻運行情況下對變頻器進(jìn)行安全檢修。3#、4#風(fēng)機的主回路工作原理也類(lèi)似。

特點(diǎn)：

　　 1）可以實(shí)現工/變頻自動(dòng)切換功能。在變頻器出現嚴重故障時(shí)，系統能夠自動(dòng)切入工頻電網(wǎng)中，斷開(kāi)變頻器時(shí)，負載不用停機，滿(mǎn)足現場(chǎng)不能停機要求。

　　 2）易實(shí)現一運兩備和兩運一備運行方式。即一臺變頻運行，一臺變頻備用，一臺工頻備用；兩臺變頻運行，一臺工頻備用。
　　
1.2　HARSVERT-A高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平電壓源型拓樸方式

　　 其優(yōu)點(diǎn)是采用輸入多重化設計，高次諧波含量非常小，輸出采用單元模塊串聯(lián)，使得諧波含量極低，在無(wú)輸出濾波器的情況下，可使THD0.3％，堪稱(chēng)“完善無(wú)諧波”高壓變頻器；極低的轉矩紋波和電機噪聲；功率因數可達0.95；對電機絕緣無(wú)損害，電纜長(cháng)度無(wú)限制；便于冗余設計。中文操作界面便于維修。
　　
2.自動(dòng)化網(wǎng)路設計

　　 控制系統由主控PLC、旁路柜控制PLC、高壓變頻器、上位機組成。其中主控系統采用西門(mén)子S7-300PLC、旁路柜內置西門(mén)子S7-200-PLC、上位機監控選用組態(tài)王軟件。通訊網(wǎng)路在底層采用Profibus DP總線(xiàn)，主控PLC和上位機監控系統采用以太網(wǎng)通訊。西門(mén)子S7-300PLC作為整個(gè)系統的控制核心，處理人機界面對系統的各種請求，對整個(gè)系統的參數進(jìn)行監控，實(shí)現對集氣管壓力的PID調節，維持管網(wǎng)的壓力恒定。自動(dòng)旁路柜集成有S7-200PLC,完成變頻工頻切換功能。上位機系統采用用戶(hù)熟悉的組態(tài)王監控軟件，與PLC的連接采用以太網(wǎng)方式?？紤]現場(chǎng)工況，對安全性、可靠性、穩定性要求都很高，我們現場(chǎng)控制級采用Profibus DP總線(xiàn)連接，監控操作級采用Ethernet方案，接入焦化廠(chǎng)局域網(wǎng)主服務(wù)器系統，實(shí)現遠程監視。配置上：西門(mén)子S7-200配置EM277 Profibus 總線(xiàn)模塊，S7-300選用315-2 DP,并配置CP341-1T 以太網(wǎng)模塊，PLC集成的DP接口用于連接S7-200，以太網(wǎng)模塊CP343-1T用于和上位機的以太網(wǎng)連接。

　　 控制網(wǎng)絡(luò )具有如下特點(diǎn)：良好的穩定性、擴展性、軟硬件的開(kāi)放性以及友好的人機界面，上位機按冗余控制配置等優(yōu)點(diǎn)。
　　
（系統網(wǎng)絡(luò )圖）
3.軟件設計

　　 上位機系統選用亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件。該軟件具有友好的人機界面，支持以太網(wǎng)絡(luò )?？梢院芊奖愕膶?shí)現遠程監視等功能。報表、報警功能強大，支持OPC，支持多種型號的PLC通訊。

　　 軟件設計過(guò)程中，由于上位機的程序組態(tài)王不直接支持西門(mén)子的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，因此需要利用OPC Server來(lái)作為過(guò)渡。這樣也使得局域網(wǎng)上的機器可以方便調用該機的參數，便于遠程監視。

　　S7-300 PLC采用Step 7軟件編程。軟件采用模塊化編程方式，把系統的各個(gè)工作編成一個(gè)個(gè)功能塊，在一個(gè)OB中調用，方便易用，便于用戶(hù)理解修改。支持梯形圖、語(yǔ)句表。采用一些容錯程序設計，加強系統的穩定性。
　　
4.主要控制設計

4.1 油路冷卻系統自啟控制

　　 每次鼓風(fēng)機啟動(dòng)前先啟動(dòng)液壓油泵，讓油流入升速器中，冷卻摩擦產(chǎn)生熱量，否則鼓風(fēng)機不能啟動(dòng)。在運行中如果主油泵壓力達不到要求，輔助油泵自動(dòng)啟動(dòng)，并能根據油溫自動(dòng)加熱。并對油路的堵塞情況、不同點(diǎn)的油溫檢測。

4.2 鼓風(fēng)機變頻、工頻自動(dòng)切換控制

　　 一臺鼓風(fēng)機變頻運行，當變頻器故障跳閘時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)切換工頻運行，同時(shí)，小循環(huán)回流閥立即打開(kāi)，機前煤氣壓力控制靠調節的小循環(huán)閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現。為了減小機前壓力無(wú)擾動(dòng)切換，小循環(huán)開(kāi)度初始值設為50%。
　　
4.3 兩臺鼓風(fēng)機無(wú)擾動(dòng)切換控制

　　 當1#鼓風(fēng)機變頻運行，要停機檢修變頻器或風(fēng)機時(shí)，投入3#鼓風(fēng)機。操作先用2#變頻器啟動(dòng)3#鼓風(fēng)機，同時(shí)停 1#變頻器。由于機前壓力實(shí)現PID閉環(huán)控制，使得1#變頻按照設定的減速時(shí)間，平滑停車(chē)，進(jìn)口閥門(mén)流量緩慢減小。相反，3#鼓風(fēng)機按照設定加速時(shí)間，轉速平滑上升，進(jìn)口閥門(mén)流量緩慢增加。這樣保證機前集氣母管壓力恒定，實(shí)現兩臺鼓風(fēng)機無(wú)擾動(dòng)切換，解決原控制系統下兩臺鼓風(fēng)機切換時(shí)產(chǎn)生的系統管網(wǎng)壓力發(fā)生劇烈波動(dòng)的問(wèn)題。（詳見(jiàn)系統流程圖）
　　
4.4 機前壓力PID閉環(huán)控制

　　 對于壓力、流量等被調參數來(lái)說(shuō)，對象調節通道時(shí)間常數T0較小，而負荷又變化較快，這時(shí)微分作用和積分作用都要引起振蕩，對調節質(zhì)量影響很大，故不采用微分調節規律。因此，焦爐煤氣壓力自動(dòng)調節控制、小循環(huán)閥自動(dòng)調節都采用PI調節。P值越大，比例調節作用越強，I值越小，積分作用越強
　　
4.5 壓力傳感器掉線(xiàn)控制

　　 對于一些可靠性要求非常高的控制系統，被控對象提出多點(diǎn)采集的理論，因此在機前母管上取兩個(gè)壓力采集點(diǎn)。把這兩點(diǎn)的壓力值送入PLC S7-300中比較，如果差值大于某個(gè)值，就認為壓力值小的傳感器故障。這樣保證采集壓力值的準確性，從而保證系統可靠性。
　　
4.6 緊急故障預案措施

　　 鼓風(fēng)變頻控制系統在主控室設計有緊急操作箱。在控制系統癱瘓情況下，操作轉換開(kāi)關(guān)，通過(guò)硬連接線(xiàn)斷開(kāi)變頻器上下接觸器，甩開(kāi)變頻直接工頻啟動(dòng)，小循環(huán)系統自動(dòng)倒入原來(lái)老控制系統，以防止事故擴大。例如：Profibus總線(xiàn)電纜故障了，鼓風(fēng)機處于失控狀態(tài)，機前壓力靠風(fēng)機慣性緩慢減小，這時(shí)控制系統會(huì )發(fā)出聲光告警，報通訊故障，需要人工迅速干預切換為老控制方式下。
　　
4.7 兩臺上位機監控系統熱冗余控制

兩臺上位機同時(shí)監控整個(gè)系統，當主上位機A故障退出時(shí)，從上位機B仍然能實(shí)時(shí)監控系統，這樣保證系統的安全性、可靠性。
　　
三、結束語(yǔ)

　　 用高壓變頻器控制鼓風(fēng)機，實(shí)現鼓風(fēng)機機前集氣母管的壓力恒定控制，大大改善了焦爐生產(chǎn)及現場(chǎng)環(huán)境，完全達到了生產(chǎn)工藝要求。PLC控制技術(shù)、PROFIBUS總線(xiàn)技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結合，使得集成自動(dòng)化程度高，運行穩定，操作簡(jiǎn)單，節能高效明顯等優(yōu)點(diǎn)。解決了兩臺鼓風(fēng)機并列運行靠調節回流閥無(wú)法實(shí)現壓力恒定和相互無(wú)擾動(dòng)切換，這個(gè)始終困擾焦爐生產(chǎn)的難題。

　　 焦爐鼓風(fēng)機高壓變頻器控制系統的成功應用，對于改善環(huán)境、提高煤氣回收量和質(zhì)量，都具有很高的經(jīng)濟價(jià)值，值得推廣。