產品與解決方案/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吐魯番地區較大的國有企業，由于國家對銅冶煉尾氣處理的要求越來越高，公司領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，又派生出新產品硫酸，可以獲得新的經濟效益，一舉兩得，是這次設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，采用國內外先進成熟的冶煉煙氣制酸技術和設備，使原先超標排放的SO2煙氣得以回收利用，生產出符合市場需求的優質工業硫酸，從而尾氣達標排放。
項目嚴格執行國家有關方針政策和各項設計規程、規范，系統優化設計，采用美國孟山都公司動力波洗滌器和托普掌公司生產的觸煤等國內外先進可靠的核心技術和設備，全廠采用DCS集中控制系統，項目完成后，系統整體技術設備達到國內外先進水平。
1.2項目建設規模：制酸規模和冶煉規模相配套，設計規模為9萬噸/年。
1.3投資及收益
項目計劃總投資7000萬元，資金來源企業自籌和專項資金的支持，投產后年均利稅總額為1000萬元。
1.4產品及質量標準：
主要產品為98%
H2SO4,質量符合工業硫酸國家標準GBT34-2002一等品標準。
1.5節能指標：
單位產品電耗98KW·h/t 98%
H2SO4以下，遠低于199 KW·h/t100%
H2SO4的生產指標，合理采用循環水系統，使本項目工業復用水率高達96.5%。
項目建成投產后，銅冶煉整體系統安全、節能、環保。
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風道傳遞的，而鼓風機的運行采用了變頻控制，啟動平穩，風量可隨時根據需要任意調節，并節約了能量。
3.1現場的基本數據
（1）電動機
名稱：SIMA變頻調速三相異步電動機
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
恒轉矩：2260N.M,20-50Hz.
冷卻方式：IC616
生產廠家：西安西碼電機（集團）股份有限公司
（2）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
主軸轉速：2980r/min
生產廠家：湖北雙創鼓風機制造有限公司
3.2系統方案
根據用戶要求，現場共兩套系統，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。旁路系統由1個高壓真空接觸器KM1和5個高壓隔離開關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
根據現場情況和用戶要求，采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-710F型號的高壓大功率變頻器為用戶配置。
（1）變頻裝置技術數據
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：＞95%
F、過載能力：120%連續，150%1分鐘。
（2）
風光高壓變頻器的主要特點及構成：
高壓變頻調速系統采用直接“高-高”變換形式，為每相8單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由控制柜、功率柜、變壓器柜組成。
控制器采用32位高速DSP芯片，精心設計的算法可以保證電機達到較優的運行性能。彩色嵌入式人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器還包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號（包括DCS/RS485//Modbus）的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強系統的靈活性。控制器結構上采用箱體結構，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。
（3）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：通過內置PLC接受來自現場的開關量控制；
上位機控制：通過RS485接口，采用PROPFIBUS通訊協議，接收上位DCS系統的控制；或與DCS硬連接。
在本系統中，由于用戶采用DCS集中控制系統，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節信號直接傳至用戶的集中控制系統，采用硬連接，在DCS上直接進行調節，并接受由DCS上傳輸的現場電機的溫度及風量調節信號，實現電機過熱保護及風量的自動調節。
表1、用戶DCS與變頻器的接口：
表2、高壓變頻系統到用戶DCS的接線：
4安裝與調試
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境里。考慮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。風道的設計、安裝必須防雨，以防雨水順風道進入變頻器內。
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將單元放入功率柜（雖然單元可以互換，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部連線。
4.2通控制電調試過程
注意：通控制電調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。控制電源為AC220V±10%，容量不小于5KVA。合上控制柜、旁路柜內斷路器，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控程序。
（2）合變頻柜主回路上的隔離開關。
（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：
（5）按照變頻器的接線圖及技術協議連接變頻器的內部接線。
4.3依照連線圖接變頻器與外部連線
（1）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，聯跳外部高壓等。
（2）變頻器控制柜內的走線原則
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走，直流電源用線沿控制柜不靠功率柜的的一側走線。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，及與現場聯系的各種必要的互鎖。
4.5現場通高壓電調試
（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，調試人員需做好安全防護并經技術人員允許后再測試，以免出現安全事故。
（2）輕載試驗，觀察變頻器運行是否正常。
（3）試驗工頻變頻狀態下，電機轉向是否一致。如果不一致，則將變頻器三相輸出中任意兩相更換位置。
（4）重載試驗
由于該系統電機軸承與風機配比不太合理，且電機為恒轉矩調速，啟動時較困難，需要增加低頻補償，經過試驗，在風門全開，即負荷最大情況下，大約設定在3.5%,可滿足正常啟動要求。
原系統DCS控制設置有手動和自動兩種控制方式，調試時先在手動方式調試工作正常，根據用戶要求，設置變頻器頻率上升、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.然后再轉至自動運行狀態，有DCS的PID輸出控制變頻器的頻率，從而達到穩定的運行狀態。
系統最終運行參數：
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：
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
（1）實現了系統的平穩啟動。該設備為新機配套，由于系統電網配置小，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）即可平穩正常啟動，因此解決了軟啟動問題。
（2）運行中調速平滑、連續，.可依據工藝需要平滑的調節變頻器的頻率，進而無級的調節電機轉速，使SO2送風量得到無級平滑的調節，減少了對風門及系統的沖擊，極大的保護了風道系統，免受沖擊損害。
（3）簡化了操作系統，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，提高了整個系統的自動化程度，實現了變頻器無人值守。
（4）節能顯著。
對風機\泵類負載，由流體力學知，流量與轉速成正比，管壓與轉速的平方成正比，而軸功率與轉速的立方成正比。
現系統運行在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
則節電率為⊿P= （P工- P1變）/
P工=36%
節電效果是十分明顯的，基本達到了預期的節能效果。
總之，使用變頻器后，實現了軟啟動，運行平穩，節約電能，是實現自動化控制的較理想設備，值得在各種領域大力推廣。
