淺談焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司技術(shù)工程部 杜新宇

〔摘要〕：本文對(duì)焦?fàn)t煤氣加壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，在焦?fàn)t煤氣加壓機(jī)控制系統(tǒng)中運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造，從而實(shí)現(xiàn)煤氣加壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，有效的穩(wěn)定了焦?fàn)t煤氣母管壓力，保證安全運(yùn)行，并且達(dá)到節(jié)約能源的效果。解決了兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行，靠調(diào)節(jié)回流閥無法實(shí)現(xiàn)壓力恒定這個(gè)始終困擾焦?fàn)t生產(chǎn)的難題。
〔關(guān)鍵詞〕：焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)、高壓變頻器、壓力PID閉環(huán)控制、鼓風(fēng)機(jī)無擾切換
一、前言
天鐵冶金集團(tuán)有限公司焦化廠現(xiàn)有58型焦?fàn)t兩座和JN43-80型焦?fàn)t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(tǒng)，年產(chǎn)焦炭112萬噸，焦?fàn)t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(chǎn)量提高，煤氣收集壓力增大，原抽氣鼓風(fēng)機(jī)一運(yùn)兩備的運(yùn)行方式在夏季高溫天氣情況下已不能滿足生產(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?fàn)t生產(chǎn)工藝中，集氣管煤氣壓力的控制效果將直接影響焦?fàn)t的生產(chǎn)。如果爐內(nèi)壓力過高，會(huì)導(dǎo)致焦?fàn)t冒黑煙，煤氣外泄，嚴(yán)重污染環(huán)境，給現(xiàn)場(chǎng)工人的工作和健康造成極大影響和危害；如果爐內(nèi)壓力過低，炭化室將出現(xiàn)負(fù)壓操作，會(huì)吸入大量空氣，浪費(fèi)大量的煤氣，嚴(yán)重影響焦炭和煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量，并且長(zhǎng)期負(fù)壓操作將會(huì)影響焦?fàn)t的正常生產(chǎn)及壽命。
如果要鼓風(fēng)機(jī)實(shí)施兩運(yùn)一備運(yùn)行方式，通過調(diào)整回流閥（也稱小循環(huán)閥）的開度來調(diào)節(jié)煤氣總管壓力，由于鼓風(fēng)機(jī)前后壓差較大，使得調(diào)節(jié)閥輕微動(dòng)作，總管壓力就會(huì)發(fā)生劇烈波動(dòng)，超過工藝容許范圍。因此會(huì)引起回爐煤氣壓力及外網(wǎng)用戶煤氣量均發(fā)生劇變，造成焦?fàn)t煤氣量不足或外網(wǎng)用戶不能正常生產(chǎn)，并且煤氣回流造成能量浪費(fèi)。通過多方調(diào)研，焦化廠的技術(shù)人員提出使用變頻調(diào)速來改變鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)集氣管的壓力方案。
高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在80年代中期才開始形成，但隨著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(yīng)用越來越廣。天鐵冶金集團(tuán)有限公司焦化廠在考察對(duì)比了國(guó)內(nèi)外多家高壓變頻器生產(chǎn)廠家后,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。HARSVERT-A系列高壓變頻器性能穩(wěn)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(yīng)用，得到了用戶的普遍認(rèn)可和市場(chǎng)的長(zhǎng)久考驗(yàn)。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)
　　天鐵集團(tuán)焦化廠有三臺(tái)D1350-1.237/0.887煤氣鼓風(fēng)機(jī)，平時(shí)采用一運(yùn)兩備方式，夏季才用兩運(yùn)一備方式。根據(jù)實(shí)際工況要求設(shè)計(jì)主回路電氣結(jié)構(gòu)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(jī)為例說明，工作原理是由3個(gè)真空接觸器KM11、KM12、KM13以及2個(gè)高壓隔離開關(guān)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(dòng)切換。QS11和QS12為高壓隔離開關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時(shí)拉開，用于電機(jī)工頻運(yùn)行情況下對(duì)變頻器進(jìn)行安全檢修。3#、4#風(fēng)機(jī)的主回路工作原理也類似。

特點(diǎn)：
　　1）可以實(shí)現(xiàn)工/變頻自動(dòng)切換功能。在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切入工頻電網(wǎng)中，斷開變頻器時(shí)，負(fù)載不用停機(jī)，滿足現(xiàn)場(chǎng)不能停機(jī)要求。
2）易實(shí)現(xiàn)一運(yùn)兩備和兩運(yùn)一備運(yùn)行方式。即一臺(tái)變頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻備用，一臺(tái)工頻備用；兩臺(tái)變頻運(yùn)行，一臺(tái)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(shè)計(jì)，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(zhuǎn)矩紋波和電機(jī)噪聲；功率因數(shù)可達(dá)0.95；對(duì)電機(jī)絕緣無損害，電纜長(zhǎng)度無限制；便于冗余設(shè)計(jì)。中文操作界面便于維修。
2.自動(dòng)化網(wǎng)路設(shè)計(jì)
　　控制系統(tǒng)由主控PLC、旁路柜控制PLC、高壓變頻器、上位機(jī)組成。其中主控系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC、旁路柜內(nèi)置西門子S7-200-PLC、上位機(jī)監(jiān)控選用組態(tài)王軟件。通訊網(wǎng)路在底層采用Profibus DP總線，主控PLC和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊。西門子S7-300PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，處理人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)的各種請(qǐng)求，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)集氣管壓力的PID調(diào)節(jié)，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(jī)系統(tǒng)采用用戶熟悉的組態(tài)王監(jiān)控軟件，與PLC的連接采用以太網(wǎng)方式。考慮現(xiàn)場(chǎng)工況，對(duì)安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求都很高，我們現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)采用Profibus DP總線連接，監(jiān)控操作級(jí)采用Ethernet方案，接入焦化廠局域網(wǎng)主服務(wù)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)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(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(jī)的以太網(wǎng)連接。
控制網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：良好的穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、軟硬件的開放性以及友好的人機(jī)界面，上位機(jī)按冗余控制配置等優(yōu)點(diǎn)。

（系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖）

3.軟件設(shè)計(jì)
　　上位機(jī)系統(tǒng)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(jī)界面，支持以太網(wǎng)絡(luò)。可以很方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能。報(bào)表、報(bào)警功能強(qiáng)大，支持OPC，支持多種型號(hào)的PLC通訊。
軟件設(shè)計(jì)過程中，由于上位機(jī)的程序組態(tài)王不直接支持西門子的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，因此需要利用OPC Server來作為過渡。這樣也使得局域網(wǎng)上的機(jī)器可以方便調(diào)用該機(jī)的參數(shù)，便于遠(yuǎn)程監(jiān)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(tǒng)的各個(gè)工作編成一個(gè)個(gè)功能塊，在一個(gè)OB中調(diào)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(cuò)程序設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
4.主要控制設(shè)計(jì)
4.1 油路冷卻系統(tǒng)自啟控制
　　每次鼓風(fēng)機(jī)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(jī)不能啟動(dòng)。在運(yùn)行中如果主油泵壓力達(dá)不到要求，輔助油泵自動(dòng)啟動(dòng)，并能根據(jù)油溫自動(dòng)加熱。并對(duì)油路的堵塞情況、不同點(diǎn)的油溫檢測(cè)。
4.2 鼓風(fēng)機(jī)變頻、工頻自動(dòng)切換控制
　　一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，當(dāng)變頻器故障跳閘時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換工頻運(yùn)行，同時(shí)，小循環(huán)回流閥立即打開，機(jī)前煤氣壓力控制靠調(diào)節(jié)的小循環(huán)閥開度來實(shí)現(xiàn)。為了減小機(jī)前壓力無擾動(dòng)切換，小循環(huán)開度初始值設(shè)為50%。
4.3 兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)無擾動(dòng)切換控制
　　當(dāng)1#鼓風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，要停機(jī)檢修變頻器或風(fēng)機(jī)時(shí)，投入3#鼓風(fēng)機(jī)。操作先用2#變頻器啟動(dòng)3#鼓風(fēng)機(jī)，同時(shí)停 1#變頻器。由于機(jī)前壓力實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制，使得1#變頻按照設(shè)定的減速時(shí)間，平滑停車，進(jìn)口閥門流量緩慢減小。相反，3#鼓風(fēng)機(jī)按照設(shè)定加速時(shí)間，轉(zhuǎn)速平滑上升，進(jìn)口閥門流量緩慢增加。這樣保證機(jī)前集氣母管壓力恒定，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)無擾動(dòng)切換，解決原控制系統(tǒng)下兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)切換時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)管網(wǎng)壓力發(fā)生劇烈波動(dòng)的問題。（詳見系統(tǒng)流程圖）
4.4 機(jī)前壓力PID閉環(huán)控制
　　對(duì)于壓力、流量等被調(diào)參數(shù)來說，對(duì)象調(diào)節(jié)通道時(shí)間常數(shù)T0較小，而負(fù)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(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量影響很大，故不采用微分調(diào)節(jié)規(guī)律。因此，焦?fàn)t煤氣壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制、小循環(huán)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)都采用PI調(diào)節(jié)。P值越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，I值越小，積分作用越強(qiáng)
4.5 壓力傳感器掉線控制
　　對(duì)于一些可靠性要求非常高的控制系統(tǒng)，被控對(duì)象提出多點(diǎn)采集的理論，因此在機(jī)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(rèn)為壓力值小的傳感器故障。這樣保證采集壓力值的準(zhǔn)確性，從而保證系統(tǒng)可靠性。
4.6 緊急故障預(yù)案措施
　　鼓風(fēng)變頻控制系統(tǒng)在主控室設(shè)計(jì)有緊急操作箱。在控制系統(tǒng)癱瘓情況下，操作轉(zhuǎn)換開關(guān)，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(dòng)，小循環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)倒入原來老控制系統(tǒng)，以防止事故擴(kuò)大。例如：Profibus總線電纜故障了，鼓風(fēng)機(jī)處于失控狀態(tài)，機(jī)前壓力靠風(fēng)機(jī)慣性緩慢減小，這時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光告警，報(bào)通訊故障，需要人工迅速干預(yù)切換為老控制方式下。
4.7 兩臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)熱冗余控制
　　兩臺(tái)上位機(jī)同時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)主上位機(jī)A故障退出時(shí)，從上位機(jī)B仍然能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，這樣保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。

三、結(jié)束語
用高壓變頻器控制鼓風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)機(jī)前集氣母管的壓力恒定控制，大大改善了焦?fàn)t生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，完全達(dá)到了生產(chǎn)工藝要求。PLC控制技術(shù)、PROFIBUS總線技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結(jié)合，使得集成自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能高效明顯等優(yōu)點(diǎn)。解決了兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行靠調(diào)節(jié)回流閥無法實(shí)現(xiàn)壓力恒定和相互無擾動(dòng)切換，這個(gè)始終困擾焦?fàn)t生產(chǎn)的難題。
焦?fàn)t鼓風(fēng)機(jī)高壓變頻器控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對(duì)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(jì)價(jià)值，值得推廣。

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