產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
少用電 用好電 再生電 存儲電 防爆電
解決方案
高壓變頻器在尾氣制酸行業(yè)的應用
引言
吐魯番工企礦冶有限公司銅冶煉廠,，是新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)較大的國有企業(yè),，由于國家對銅冶煉尾氣處理的要求越來越高,，公司領(lǐng)導在綜合考慮各方面的因素后，認為單純處理尾氣,，還不如變廢為寶,，將尾氣凈化處理后，將其中的SO2轉(zhuǎn)變成硫酸,，這樣即處理了尾氣,，達到國家尾氣排放標準，又派生出新產(chǎn)品硫酸,，可以獲得新的經(jīng)濟效益,，一舉兩得，是這次設(shè)備改造及尾氣處理的雙重收益,。
1項目概況
1.1項目名稱：9萬噸/年煙氣制酸
9萬噸/年煙氣制酸項目是將冶煉廠排放的煙氣,，通過凈化處理后，采用國內(nèi)外先進成熟的冶煉煙氣制酸技術(shù)和設(shè)備,，使原先超標排放的SO2煙氣得以回收利用,，生產(chǎn)出符合市場需求的優(yōu)質(zhì)工業(yè)硫酸，從而尾氣達標排放,。
項目嚴格執(zhí)行國家有關(guān)方針政策和各項設(shè)計規(guī)程,、規(guī)范，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計,，采用美國孟山都公司動力波洗滌器和托普掌公司生產(chǎn)的觸煤等國內(nèi)外先進可靠的核心技術(shù)和設(shè)備,，全廠采用DCS集中控制系統(tǒng)，項目完成后,，系統(tǒng)整體技術(shù)設(shè)備達到國內(nèi)外先進水平,。
1.2項目建設(shè)規(guī)模：制酸規(guī)模和冶煉規(guī)模相配套，設(shè)計規(guī)模為9萬噸/年,。
1.3投資及收益
項目計劃總投資7000萬元,，資金來源企業(yè)自籌和專項資金的支持，投產(chǎn)后年均利稅總額為1000萬元,。
1.4產(chǎn)品及質(zhì)量標準：
主要產(chǎn)品為98%
H2SO4,質(zhì)量符合工業(yè)硫酸國家標準GBT34-2002一等品標準,。
1.5節(jié)能指標：
單位產(chǎn)品電耗98KW·h/t 98%
H2SO4以下，遠低于199 KW·h/t100%
H2SO4的生產(chǎn)指標,，合理采用循環(huán)水系統(tǒng),，使本項目工業(yè)復用水率高達96.5%。
項目建成投產(chǎn)后,，銅冶煉整體系統(tǒng)安全,、節(jié)能、環(huán)保,。
2工藝流程圖
3變頻器的應用
在這個工藝流程中,，
SO2煙氣由干燥塔到散熱器的過程是由鼓風機經(jīng)風道傳遞的,，而鼓風機的運行采用了變頻控制，啟動平穩(wěn),，風量可隨時根據(jù)需要任意調(diào)節(jié),，并節(jié)約了能量。
3.1現(xiàn)場的基本數(shù)據(jù)
?。?）電動機
名稱：SIMA變頻調(diào)速三相異步電動機
型號：YPT5003-2
功率：710KW
絕緣等級：F
額定電壓：10KV
額定電流：49.7A
接法：Y型
防護等級：IP54
恒轉(zhuǎn)矩：2260N.M,20-50Hz.
冷卻方式：IC616
生產(chǎn)廠家：西安西碼電機（集團）股份有限公司
?。?）離心鼓風機
型號：C850-1.357/0.969
流量：850m3/min
出口壓力：38000Pa
電機功率：710KW
主軸轉(zhuǎn)速：2980r/min
生產(chǎn)廠家：湖北雙創(chuàng)鼓風機制造有限公司
3.2系統(tǒng)方案
根據(jù)用戶要求，現(xiàn)場共兩套系統(tǒng),，配置兩臺風機,，配置一套變頻器，即一臺變頻器拖動二臺電機,，采用一拖二方式,。旁路系統(tǒng)由1個高壓真空接觸器KM1和5個高壓隔離開關(guān)K1、K21,、K22,、K31、K32組成,。要求K21不能和K1,、K31同時閉合，K22不能和K1,、K32同時閉合,，在電氣上實現(xiàn)互鎖。K1與K31閉合,，K21斷開,，1#電機變頻運行；K1與K32閉合,，K22斷開,，2#電機變頻運行。K1與K31斷開,，K21閉合,，1#電機工頻運行；K1與K32斷開,，K22閉合,，2#電機工頻運行。
主回路圖如下：
3.3變頻器的配置
根據(jù)現(xiàn)場情況和用戶要求,，采用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-710F型號的高壓大功率變頻器為用戶配置,。
（1）變頻裝置技術(shù)數(shù)據(jù)
A,、額定輸入電壓：10KV,允許變化范圍：+15%～-20%
B,、額定輸出電壓：0～10KV
C,、額定容量：900KVA
D,、輸入諧波：＜3%
E
,、輸入功率因數(shù)：＞95%
F、過載能力：120%連續(xù),，150%1分鐘,。
（2）
風光高壓變頻器的主要特點及構(gòu)成：
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式,，為每相8單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu),，主體結(jié)構(gòu)由控制柜、功率柜,、變壓器柜組成,。
控制器采用32位高速DSP芯片，精心設(shè)計的算法可以保證電機達到較優(yōu)的運行性能,。彩色嵌入式人機界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面,，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破鬟€包括一臺內(nèi)置的PLC,，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號（包括DCS/RS485//Modbus）的協(xié)調(diào),，并且可以根據(jù)用戶的需要擴展控制開關(guān)量,，增強系統(tǒng)的靈活性?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)上采用箱體結(jié)構(gòu),，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù),，系統(tǒng)具有極高的可靠性,。控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù),，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離,，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能,。
?。?）控制方式
變頻器有三種控制方式：
本地控制：從變頻器操作界面控制電機的啟、停,，并能完成變頻器的所有控制,；
遠程控制：通過內(nèi)置PLC接受來自現(xiàn)場的開關(guān)量控制；
上位機控制：通過RS485接口,，采用PROPFIBUS通訊協(xié)議,，接收上位DCS系統(tǒng)的控制,；或與DCS硬連接。
在本系統(tǒng)中,，由于用戶采用DCS集中控制系統(tǒng),，因此我們采用上位機控制，將變頻器所需要的開機信號和速度調(diào)節(jié)信號直接傳至用戶的集中控制系統(tǒng),，采用硬連接,，在DCS上直接進行調(diào)節(jié)，并接受由DCS上傳輸?shù)默F(xiàn)場電機的溫度及風量調(diào)節(jié)信號,，實現(xiàn)電機過熱保護及風量的自動調(diào)節(jié),。
表1、用戶DCS與變頻器的接口：
表2,、高壓變頻系統(tǒng)到用戶DCS的接線：
4安裝與調(diào)試
4.1安裝
安裝時注意不要將變頻器安裝在有較大灰塵,、腐蝕或爆炸性氣體、導電粉塵等空氣污染的環(huán)境里,?？紤]通風散熱及操作空間的需要，10KV系列整套裝置背面離墻或是別的柜體距離不得小于1500mm,，裝置頂部離屋頂距離不得小于1500mm;裝置正面離墻或是別的柜體距離不得小于1500mm,。
所有柜體應牢固安裝于基座之上，并和廠房大地可靠連接,。變壓器屏蔽層及接地端子PE也應接至廠房大地,。各柜體之間應相互連接成為一個整體。
安裝過程中,，要防止變頻器受到撞擊和震動,，所有柜體不得倒置，傾斜角度不得超過30°,。
變頻器安裝場地應采取完善的小動物防護措施,。
以變頻器隨機配套的《整機連線圖》為依據(jù)進行安裝接線。
a.確認變頻器殼體安裝正確整齊,，底部槽鋼與大地可靠連接（建議采用焊接方式）,。包括控制柜、功率柜,、變壓器柜和旁路柜,。風道的設(shè)計、安裝必須防雨,，以防雨水順風道進入變頻器內(nèi),。
b.變頻器功率柜分前后兩面安裝。每相前后面各4個單元，按照功率單元標注的編號的順序?qū)卧湃牍β使瘢m然單元可以互換,，但是按編號安放便于查詢,，也符合人的正常思維）。
c.安裝UPS,人機界面,，高壓帶電顯示裝置,，變壓器溫控儀，電流傳感器,，報警器,。
d.依照連線圖接變頻器內(nèi)部連線,。
4.2通控制電調(diào)試過程
注意：通控制電調(diào)試時必須確保高壓電不能加到變頻器上,，以確保人身安全
（1）通上交流220V控制電（交流220伏控制電用6mm2的電源線,?？刂齐娫礊锳C220V±10%，容量不小于5KVA,。合上控制柜,、旁路柜內(nèi)斷路器，開UPS后當人機界面顯示正常時,，說明控制電源已送上,，觸摸屏會自動進入監(jiān)控程序。
?。?）合變頻柜主回路上的隔離開關(guān),。
（3）按變頻送電按鈕或是模擬短接高壓就緒接點,，但是在送高壓電之前必須將模擬短接點斷開,。
（4）開機用示波器測量單元輸出波形和總輸出波形是否正確,。
每個單元輸出的波形：
?。?）按照變頻器的接線圖及技術(shù)協(xié)議連接變頻器的內(nèi)部接線。
4.3依照連線圖接變頻器與外部連線
?。?）外部高壓就緒,，故障輸出，報警輸出,，就地指示,，遠程指示，變頻指示,，工頻指示,，遠程急停，遠程開機，遠程停機,，遠程頻率給定,，電流輸出，頻率輸出,，工藝允許,，聯(lián)跳外部高壓等。
?。?）變頻器控制柜內(nèi)的走線原則
高壓線和低壓線分開走線,，交流和直流分開走線，PLC
輸入和4～20mA模擬信號必須用屏蔽線,，屏蔽線線徑不能小于0.5mm2,以免線徑太細壓接時易斷,。
交流電源用線沿控制柜靠近功率單元柜的一側(cè)走，直流電源用線沿控制柜不靠功率柜的的一側(cè)走線,。走線要整齊,、美觀、易查,。
4.4試驗變頻器遠程開機,，停機，頻率給定
電流輸出與頻率輸出和各種顯示,，及與現(xiàn)場聯(lián)系的各種必要的互鎖,。
4.5現(xiàn)場通高壓電調(diào)試
（1）將高壓電送至變頻器,，無特殊情況不要在通高壓電的情況下測輸出或是其他地方,，如需測試，調(diào)試人員需做好安全防護并經(jīng)技術(shù)人員允許后再測試,，以免出現(xiàn)安全事故,。
（2）輕載試驗,，觀察變頻器運行是否正常,。
（3）試驗工頻變頻狀態(tài)下,，電機轉(zhuǎn)向是否一致,。如果不一致，則將變頻器三相輸出中任意兩相更換位置,。
?。?）重載試驗
由于該系統(tǒng)電機軸承與風機配比不太合理，且電機為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,，啟動時較困難,，需要增加低頻補償,，經(jīng)過試驗,，在風門全開,，即負荷最大情況下,，大約設(shè)定在3.5%,可滿足正常啟動要求。
原系統(tǒng)DCS控制設(shè)置有手動和自動兩種控制方式,，調(diào)試時先在手動方式調(diào)試工作正常,，根據(jù)用戶要求，設(shè)置變頻器頻率上升,、下降時間,，達到上升不過流保護/下降不過壓保護，實際實驗時間為上升300s,下降420s.然后再轉(zhuǎn)至自動運行狀態(tài),，有DCS的PID輸出控制變頻器的頻率,，從而達到穩(wěn)定的運行狀態(tài)。
系統(tǒng)最終運行參數(shù)：
變頻器：
頻率40Hz,
輸出電流39A,
輸入電流21A,
輸出電壓7.37KV,
輸入電壓9.34KV
風機參數(shù)：
氣體溫度：
進口31.10℃,，出口 57.10℃
氣體壓力： 進口 -7.04Kpa,出口 17.06Kpa
電機軸承溫度
左：34.1℃,，右：34.10℃
5應用效果
?。?）實現(xiàn)了系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動,。該設(shè)備為新機配套，由于系統(tǒng)電網(wǎng)配置小,，工頻直接啟動,，電流大約為額定電流的5-7倍，即啟動瞬間可達300A左右,，在風門開啟時根本啟動不了,。而采用變頻啟動，啟動電流大約在額定電流的一半左右（約28A）即可平穩(wěn)正常啟動,，因此解決了軟啟動問題,。
（2）運行中調(diào)速平滑,、連續(xù),，.可依據(jù)工藝需要平滑的調(diào)節(jié)變頻器的頻率，進而無級的調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,，使SO2送風量得到無級平滑的調(diào)節(jié),，減少了對風門及系統(tǒng)的沖擊，極大的保護了風道系統(tǒng),，免受沖擊損害,。
（3）簡化了操作系統(tǒng),，精簡了控制程序,，減輕了工人的勞動強度，特別是自動控制的應用，提高了整個系統(tǒng)的自動化程度,，實現(xiàn)了變頻器無人值守,。
（4）節(jié)能顯著,。
對風機\泵類負載,，由流體力學知，流量與轉(zhuǎn)速成正比,，管壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比,，而軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
現(xiàn)系統(tǒng)運行在40Hz
,因此變頻運行下的功率
P變=（40/50）3P工=0.83P工=0.51
P工
當然變頻改造后效率可能要降低一些,，總體效率大約80%.因此變頻應用后的實際效率為
P1變=0.51/80% P工=0.64
P工=64% P工
則節(jié)電率為⊿P= （P工- P1變）/
P工=36%
節(jié)電效果是十分明顯的,，基本達到了預期的節(jié)能效果。
總之,，使用變頻器后,，實現(xiàn)了軟啟動，運行平穩(wěn),，節(jié)約電能,，是實現(xiàn)自動化控制的較理想設(shè)備，值得在各種領(lǐng)域大力推廣,。
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