淺談焦爐煤氣鼓風機高壓變頻調速控制系統的設計
北京利德華福電氣技術有限公司技術工程部 杜新宇

〔摘要〕：本文對焦爐煤氣加壓控制系統進行了分析，在焦爐煤氣加壓機控制系統中運用變頻調速技術對其進行改造，從而實現煤氣加壓機運轉的自動調節，有效的穩定了焦爐煤氣母管壓力，保證安全運行，并且達到節約能源的效果。解決了兩臺鼓風機并列運行，靠調節回流閥無法實現壓力恒定這個始終困擾焦爐生產的難題。
〔關鍵詞〕：焦爐煤氣鼓風機、高壓變頻器、壓力PID閉環控制、鼓風機無擾切換
一、前言
天鐵冶金集團有限公司焦化廠現有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系統，年產焦炭112萬噸，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。
隨著焦炭產量提高，煤氣收集壓力增大，原抽氣鼓風機一運兩備的運行方式在夏季高溫天氣情況下已不能滿足生產要求，主要原因是煤氣壓力增大、溫度增高，若不能及時排出將可能發生爆炸。焦爐生產工藝中，集氣管煤氣壓力的控制效果將直接影響焦爐的生產。如果爐內壓力過高，會導致焦爐冒黑煙，煤氣外泄，嚴重污染環境，給現場工人的工作和健康造成極大影響和危害；如果爐內壓力過低，炭化室將出現負壓操作，會吸入大量空氣，浪費大量的煤氣，嚴重影響焦炭和煤氣的產量和質量，并且長期負壓操作將會影響焦爐的正常生產及壽命。
如果要鼓風機實施兩運一備運行方式，通過調整回流閥（也稱小循環閥）的開度來調節煤氣總管壓力，由于鼓風機前后壓差較大，使得調節閥輕微動作，總管壓力就會發生劇烈波動，超過工藝容許范圍。因此會引起回爐煤氣壓力及外網用戶煤氣量均發生劇變，造成焦爐煤氣量不足或外網用戶不能正常生產，并且煤氣回流造成能量浪費。通過多方調研，焦化廠的技術人員提出使用變頻調速來改變鼓風機轉速，從而調節集氣管的壓力方案。
高壓變頻器的產業化在80年代中期才開始形成，但隨著大功率電力電子器件的迅速發展和巨大的市場推動力，高壓變頻器十多年來的發展非常迅速，使用器件已經從SCR、GTR、GTO發展到IGBT、IECT、IGCT（SGCT）等，功率范圍從幾百kW到幾十MW，技術已經成熟，可靠性得到保證，應用越來越廣。天鐵冶金集團有限公司焦化廠在考察對比了國內外多家高壓變頻器生產廠家后,決定選用北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A系列高壓變頻器。HARSVERT-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、水泥等多個領域成功應用，得到了用戶的普遍認可和市場的長久考驗。

二、系統方案設計
1.系統電氣設計
　　天鐵集團焦化廠有三臺D1350-1.237/0.887煤氣鼓風機，平時采用一運兩備方式，夏季才用兩運一備方式。根據實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#鼓風機為例說明，工作原理是由3個真空接觸器KM11、KM12、KM13以及2個高壓隔離開關QS11、QS12組成（見圖一），其中KM11、KM12、KM13為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動切換。QS11和QS12為高壓隔離開關，一般情況下處于合閘狀態，僅在變頻器檢修時拉開，用于電機工頻運行情況下對變頻器進行安全檢修。3#、4#風機的主回路工作原理也類似。

特點：
　　1）可以實現工/變頻自動切換功能。在變頻器出現嚴重故障時，系統能夠自動切入工頻電網中，斷開變頻器時，負載不用停機，滿足現場不能停機要求。
2）易實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多電平電壓源型拓樸方式
　　其優點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，使得諧波含量極低，在無輸出濾波器的情況下，可使THD<0.3％，堪稱“完善無諧波”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；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制；便于冗余設計。中文操作界面便于維修。
2.自動化網路設計
　　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子S7-300PLC、旁路柜內置西門子S7-200-PLC、上位機監控選用組態王軟件。通訊網路在底層采用Profibus DP總線，主控PLC和上位機監控系統采用以太網通訊。西門子S7-300PLC作為整個系統的控制核心，處理人機界面對系統的各種請求，對整個系統的參數進行監控，實現對集氣管壓力的PID調節，維持管網的壓力恒定。自動旁路柜集成有S7-200PLC,完成變頻工頻切換功能。上位機系統采用用戶熟悉的組態王監控軟件，與PLC的連接采用以太網方式。考慮現場工況，對安全性、可靠性、穩定性要求都很高，我們現場控制級采用Profibus DP總線連接，監控操作級采用Ethernet方案，接入焦化廠局域網主服務器系統，實現遠程監視。配置上：西門子S7-200配置EM277 Profibus 總線模塊，S7-300選用315-2 DP,并配置CP341-1T 以太網模塊，PLC集成的DP接口用于連接S7-200，以太網模塊CP343-1T用于和上位機的以太網連接。
控制網絡具有如下特點：良好的穩定性、擴展性、軟硬件的開放性以及友好的人機界面，上位機按冗余控制配置等優點。

（系統網絡圖）

3.軟件設計
　　上位機系統選用亞控公司生產的組態王軟件。該軟件具有友好的人機界面，支持以太網絡。可以很方便的實現遠程監視等功能。報表、報警功能強大，支持OPC，支持多種型號的PLC通訊。
軟件設計過程中，由于上位機的程序組態王不直接支持西門子的以太網通訊協議，因此需要利用OPC Server來作為過渡。這樣也使得局域網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，把系統的各個工作編成一個個功能塊，在一個OB中調用，方便易用，便于用戶理解修改。支持梯形圖、語句表。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
　　每次鼓風機啟動前先啟動液壓油泵，讓油流入升速器中，冷卻摩擦產生熱量，否則鼓風機不能啟動。在運行中如果主油泵壓力達不到要求，輔助油泵自動啟動，并能根據油溫自動加熱。并對油路的堵塞情況、不同點的油溫檢測。
4.2 鼓風機變頻、工頻自動切換控制
　　一臺鼓風機變頻運行，當變頻器故障跳閘時，系統會自動切換工頻運行，同時，小循環回流閥立即打開，機前煤氣壓力控制靠調節的小循環閥開度來實現。為了減小機前壓力無擾動切換，小循環開度初始值設為50%。
4.3 兩臺鼓風機無擾動切換控制
　　當1#鼓風機變頻運行，要停機檢修變頻器或風機時，投入3#鼓風機。操作先用2#變頻器啟動3#鼓風機，同時停 1#變頻器。由于機前壓力實現PID閉環控制，使得1#變頻按照設定的減速時間，平滑停車，進口閥門流量緩慢減小。相反，3#鼓風機按照設定加速時間，轉速平滑上升，進口閥門流量緩慢增加。這樣保證機前集氣母管壓力恒定，實現兩臺鼓風機無擾動切換，解決原控制系統下兩臺鼓風機切換時產生的系統管網壓力發生劇烈波動的問題。（詳見系統流程圖）
4.4 機前壓力PID閉環控制
　　對于壓力、流量等被調參數來說，對象調節通道時間常數T0較小，而負荷又變化較快，這時微分作用和積分作用都要引起振蕩，對調節質量影響很大，故不采用微分調節規律。因此，焦爐煤氣壓力自動調節控制、小循環閥自動調節都采用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，被控對象提出多點采集的理論，因此在機前母管上取兩個壓力采集點。把這兩點的壓力值送入PLC S7-300中比較，如果差值大于某個值，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，操作轉換開關，通過硬連接線斷開變頻器上下接觸器，甩開變頻直接工頻啟動，小循環系統自動倒入原來老控制系統，以防止事故擴大。例如：Profibus總線電纜故障了，鼓風機處于失控狀態，機前壓力靠風機慣性緩慢減小，這時控制系統會發出聲光告警，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
　　兩臺上位機同時監控整個系統，當主上位機A故障退出時，從上位機B仍然能實時監控系統，這樣保證系統的安全性、可靠性。

三、結束語
用高壓變頻器控制鼓風機，實現鼓風機機前集氣母管的壓力恒定控制，大大改善了焦爐生產及現場環境，完全達到了生產工藝要求。PLC控制技術、PROFIBUS總線技術和高壓變頻技術的完美結合，使得集成自動化程度高，運行穩定，操作簡單，節能高效明顯等優點。解決了兩臺鼓風機并列運行靠調節回流閥無法實現壓力恒定和相互無擾動切換，這個始終困擾焦爐生產的難題。
焦爐鼓風機高壓變頻器控制系統的成功應用，對于改善環境、提高煤氣回收量和質量，都具有很高的經濟價值，值得推廣。

參考文獻：
[1]《高壓變頻器技術手冊》　　　　　北京利德華福電氣技術有限公司
[2]《西門子網絡技術》　　　　　　　西門子自動化與驅動集團公司
[3]《焦化工藝學》　　　　　　　　　中國礦業大學出版社