变频空压机恒压供气控制系统

[打印] [关闭] 发布时间:[2010-01-11 00:00]

    通过对新疆奎屯电厂二厂给水泵变频改造前后运行工况的对比分析。公用母管式给水系统中,采用高压变频器来调节电机转速的调节方案可以大幅度节约电能。变频调速调节法比台数调节法更经济,也更安全,防止了根据负荷经常起动和停泵的不安全因素,一种经济实用的改造方案。

高压变频调速技术在给水泵上的应用

1引言

高压变频器在电厂附机系统中的应用对于落实十一个五规划中提出的突出抓好在电厂等行业中的节能工作”及重点工程“电机系统节能在煤炭等行业进行电动机拖动风机、水泵系统优化改造”具有重大意义。

新疆生产建设兵团奎屯热电厂二厂归属兵团农七师独立电网(电网总装机容量为100NW农七师和奎屯垦区供电、供热的主力电厂。锅炉容量为1160Th和2130Th由于独立电网的原因,电厂装机容量为225MW采用抽气式汽轮机和内冷式发电机。给水泵、循环水泵等辅机直接启动时,启动电流大;启动时电网电压跌落比较大;另外给水泵等采用定速运行,阀门调整节流损失大、入口压力高、管损严重、系统效率低,造成能源的浪费。

为实现节能及提高生产工艺。设备投运使用以来,装置了1台广东明阳龙源电力电子有限公司的NLVERT-D061600.A高压变频器用于4#5#给水泵的变频调速。运行稳定可靠,节能效果明显。

 

2给水泵工艺要求

给水泵的运行原理如图1所示。经过高压加热器加热后,将除氧水箱的凝结水通过给水泵提高压力。输送到锅炉省煤器入口,作为锅炉主给水。

图2为奎屯热电厂二厂两台火电机组给水泵回路原理示意图。采用5台给水泵并联运行,采用2台机组公用母管式给水系统。其中1#2#3#给水泵电机的额定功率为1000KN额定电压为6KV额定电流为109.5A 4#5#水泵电机的额定功率为1250KW额定电压为6KV额定电流为137.69A 水泵的入口压力为15MPa而正常运行时的汽包压力为10MPa设计上,水泵入口压力与正常汽包压力之间有比较大的差异(约5.0NPa原因是考虑到锅炉检修以后打水压试验的需要,另外为提高调节系统的反应速度,给水调节阀前需提供较大的压力。

 

给水泵电机采用变频调速驱动后。节省了因阀门阻力引起的附加损耗,用改变电动机的转速来满足不同的压力要求。达到节能的目的使用调速方法来改变压力的调节方法非常连续,使锅炉汽包水位自动调节系统的反应连续平滑,改善了锅炉给水调节系统的性能。

3改造方案确定

3.1给水泵电机参数

1型 号:YSK500-2

2额定功率:1250KW

3额定电压:6KV额定电流:137.69A

4额定频率:50Hz额定转速:2989转/分

3.2系统构成

为节约成本。系统接线方案如图3所示。该方案的特点是可以满足一台给水泵变频运行故障,采样“一拖二”系统连接方案对4#5#给水泵进行变频改造。工频联动备用给水泵的要求。

3.3变频运行控制方式

NLVERT-D06系列高压变频器内置S7-200型PLC通过电厂DCS系统下发的速度指令进行频率调节。关闭再循环阀门。由于给水泵的流量是根据机组的负荷大小来控制的主要控制参数是汽泡水位,变频改造后。汽泡水位过高将影响蒸汽品质,过低则破坏锅炉水循环,严重时会引起爆管。经过现场测试,建立了以汽包水位、给水流量、过热蒸汽流量三个被调量的给水系统控制方案。但由于汽泡水位、给水流量、过热蒸汽流量由于受温度影响较大,经过现场试验和一段时间的试运行,采用软件弥补的方法解决了空压机在工业生产中有着广泛地应用。供水行业中,担负着为水厂所有气动元件,包括各种气动阀门,提供气源的职责。因此它运行的好坏直接影响水厂生产工艺。

   空压机的种类有很多。该供气控制方式虽然原理简单、操作简便,但其供气控制方式几乎都是采用加、卸载控制方式。例如我厂使用的南京三达活塞式空压机、美国寿力螺杆压缩机和Atla螺杆式空压机都采用了这种控制方式。根据我多年的运行经验。但存在能耗高,进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题。

随着社会的发展和进步。节省电能同时改善空压机性能、提高供气品质就成为我关心的一个话题。结合生产实际,高效低耗的技术已愈来愈受到人们关注。空压机供气领域能否应用变频调速技术。选择了一台美国寿力LS-10型固定式螺杆空压机进行了研究。

2 空压机加、卸载供气控制方式简介

对加、卸载供气控制方式进行简单介绍。   作者以美国寿力LS-10型固定式螺杆式空压机电控原理图(如图3所示)为例.

SA 1转至自动位置。其瞬时闭合延时断开的动合触点闭合,按下起动按钮SB2KT1线圈得电。KM3和KM1线圈得电动作空压机电机开始Y形起动;此时进气控制阀YV1得电动作,控制气体从小储气罐中放出进入进气阀活塞腔,关闭进气阀,使压缩机从轻载开始起动。当KT达到设定时间(一般为6秒后)其延时断开的动断触点断开,延时闭合的动合触点闭合,KM3线圈断电释放,KM2线圈得电动作,空压机电机从Y形自动改接成△形运行。此时YV1断电关闭,从储气罐放出的控制气被切断,进气阀全开,机组满载运行。注:进气控制阀YV1只在起动过程起作用,而卸载控制阀YV4却在起动完毕后起作用。

   若所需气量低于额定排气量。当超过设定的最小压力值Pmin也称为加载压力)时,排气压力上升。压力调节器动作,将控制气输送到进气阀,通过进气阀内的活塞,局部关闭进气阀,减少进气量,使供气与用气趋于平衡。当管线压力继续上升超越压力调节开关(SP4设定的最大压力值Pmax也称为卸载压力)时,压力调节开关跳开,电磁阀YV4掉电。这样,控制气直接进入进气阀,将进气口完全关闭;同时,放空阀在控制气的作用下打开,将分离罐内压缩空气放掉。

当管线压力下降低于Pmin时。这时通往进气阀和放空阀的控制气都被切断。这样进气阀重新全部打开,压力调节开关SP4复位(闭合)YV4接通电源。放空阀关闭,机组全负荷运行。

3 加、卸载供气控制方式存在问题

3.1能耗分析

   知道。即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下,加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在PminPmax之间来回变化。Pmin最低压力值。PmaxPmin之间关系可以用下式来表示:

Pmax=(1+δ)Pmin 1

其数值大致在10%25%之间。δ是一个百分数。

   而若采用变频调速技术可连续调节供气量的话。即Pmin附近。则可将管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上。

由此可知。所浪费的能量主要在2个部分加、卸载供气控制方式下的空压机较之变频系统控制下的空压机。:

1压缩空气压力超越Pmin所消耗的能量

压力达到Pmin后。从而导致能量损失。原控制方式决定其压力会继续上升(直到Pmax这一过程中必将会向外界释放更多的热量。

另一方面。其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin这一过程同样是一个耗能过程。高于Pmin气体在进入气动元件前。

2卸载时调节方法不合理所消耗的能量

   通常情况下。空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态,当压力达到Pmax时。同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。

关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体作功。据我测算,但空压机在空转中还是要带动螺杆做回转运动。空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%15%这还是卸载时间所占比例不大的情况下)换言之,该空压机10%时间处于空载状态,作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下,空压机电机存在很大的节能空间。

3.2其它缺乏之处

   1靠机械方式调节进气阀。当用气量不断变化时,使供气量无法连续调节。供气压力不可防止地产生较大幅度的动摇。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀,会加速进气阀的磨损,增加维修量和维修成本。

放气阀的耐用性得不到保证。   2频繁采用打开和关闭放气阀。

4 恒压供气控制方案的设计

   针对原有供气控制方式存在诸多问题。自己认为可应用变频调速技术进行恒压供气控制。采用这一方案时,经过上述对比分析。可以把管网压力作为控制对象,压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能调节器,与压力设定值P0作比较,并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算,发生控制信号送变频调速器VVVF通过变频器控制电机的工作频率与转速,从而使实际压力P始终接近设定压力P0同时,该方案可增加工频与变频切换功能,并保留原有的控制和保护系统,另外,采用该方案后,空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动,实现了软启动,防止了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击。

具体的控制系统流程图如图1所示。

 

图1    恒压供气控制系统流程图

   变频与工频电源的切换电路如图2所示;空压机电控原理图如图3所示;变频调速控制系统接线图见图4

5 系统元器件的选配及系统的装置与调试

5.1元器件的选型

1变频器

 

图2     变频和工频电源的切换电路

   LS-10型固定式螺杆式空压机电机型号:LS286TSC-4功率22kW频率50Hz额定电压380V额定电流42A 4极。因此选用加大一级变频器(30kW变频器的外部接线如图5所示。转速1470r/min选用一台“台达牌”VFD300B43A 型变频器。因为LS-10型空压机是一种大转动惯量负载。

a变频器的主要参数

   l输出:最大适用电机输出功率30kW输出额定容量45.7kVA 输出额定电流60A 输出频率范围0.10~400Hz过载能力为额定输出电流的150%运行60最大输出电压对应输入电源。

380~460VAC50/60Hz电压容许变化范围±10%频率容许变化范围±5%输入电流60A 采用强迫风冷。   l输入:3相。

2该变频器的主要特点:

   a采用了新一代电力元件IGBT作为驱动交流电动机的核心元件。具有无传感器矢量控制及电压/频率(V/f控制。应用高速微处理器实现正弦波脉宽调制(SPWM技术。

   b配有RS-485接口。构成计算机监控、群控系统。可与计算机联结。

   c自动转矩补偿。e禁止电机反转。

   d自动调整加减速时间。 f带过载(过热保护)

2PID智能控制器

   兰利牌PID智能控制器一个。输出为4~20mA 模拟信号,型号:A L808单路输入、输出。丈量精度0.2%厂家:深圳市亚特克电子有限公司。

3压力变送器

   压力变送器一个型号:DG1300-BZ-A -2-2量程:0~1Mpa输出4~20mA 模拟信号。精确度0.5%FS厂家:广州森纳士压力仪器有限公司。

5.2系统的装置与调试

 

图3     空压机电控原理图

 

图4   控制系统接线图

1装置

   控制柜安装在空压机房内。但与阿特拉斯空压机之间的主配线不要超过30m控制回路的配线采用屏蔽双绞线,与原控制柜分离。双绞线的节距在15m以下。另外控制柜上装有换气装置,变频器接地端子按规定不与动力接地混用,以上措施增强了系统的稳定性、可靠性。

2调试

   a变频器功能设定

00-09设定为00V/f电压频率控制)

01-00最大操作频率:设定为50Hz对应最大电压380V

01-01最大频率:设定为50Hz等于电机额定频率)

01-07上限频率:设定为48Hz

01-08下限频率:设定为40Hz

01-09第一加速时间:设定为10S

01-10第一减速时间:设定为10S

02-00设定为02即由外部4~20mA 输入(ACI

02-01设定为01:运行指令由外部端子控制

02-02设定为00以减速制动方式停止)

02-04设定为01:禁止反转

02-07设定为00:A CI断线时减速至0Hz

06-04设定为:150%过载保护)其它功能遵照变频器出厂设定值。

   bPID参数的整定

   由于用于控制变频器。因此只能采用PI调节方式,根据在不允许输出信号频繁变化的应用系统中应选择PI调节方式原则。以减少对变频器的冲击。

   对PID进行参数整定的过程中。将比例带设定在70%积分时间常数设定在60s;为不影响生产,首先根据经验法。采取改变给定值的方法使压力给定值有个突变(相当于一个阶跃信号)然后观察其响应过程(即压力变化过程)经过多次调整,比例带P=40%积分时间常数Ti=12时,观察到压力的响应过程较为理想。压力在给定值改变5min左右(约一个多周期)后,振幅在极小的范围内波动,对扰动反应达到预期的效果。

3调试中其他事项

   从图4可以看出。也就是说原空压机系统保护装置依然有效。并且工频/变频切换采用了电气及机械双重联锁,整套改造装置并不改变空压机原有控制原理。从而大大的提高了系统的平安、可靠性。

调试过程中。电机温升约3~6℃之间,将下限频率调至40Hz然后用红外线测温仪对空压机电机的温升及管路的油温进行了长时间、严格的监测。属正常温升范围,油温基本无变化(以上数据均为以原有工频运行时相比较)所以40Hz下限频率运行对空压机机组的工作并无多大的影响。

 

图5   变频器的外部接线图

6 结束语

   经过一系列的反复调整。管线压力基本坚持在0.62Mpa供气质量得到提高。改造后空压机的运行平安、可靠,最终系统稳定在40.5~42.5Hz频率范围。同时达到水厂用气的工艺要求。

此问题。稳定控制了汽包液面的高度,通过闭环跟踪汽包水位。优化了生产工艺。

同时。通过DCS控制变频器的输出频率。变频器还可选择运行在开环状态。

4HLVERT-D06系列变频器原理及主要技术特点

4.1原理简介

.2主要技术特点

NLVERT-D系列高压变频器具有以下特点:

120-100%负载变化情况内达到或超过0.96功率因数(无需功率因数补偿装置)

2无需滤波器变频器就可输出正弦输出电流和电压波形。可以使用普通异步电机,对电机没有特殊的要求。电机不用降额使用。具有软起动功能,没有电机启动冲击引起的电网电压下跌,可确保电机安全、临时运行。装置对输出电缆长度无任何要求,电机不会受到共模电压和dvdt影响。

3变频器对电网电压波动有极强的适应能力。30%电压下降情况下变频器能继续运行而不跳闸,±15%范围内变频器能满载工作。40%电压下降可以短时运行,轻载时时间更长。

变频器自动再起动的功能。4具有电网瞬时掉电后。

5功率单元模块化结构。维护简单。可以互换。

进一步提高了运行的可靠性。6功率单元自动旁路功能。

有自诊断功能。7控制系统采用全数字微机控制。

8变频器功率单元和主控系统通讯采用光纤连接。平安性好。具有很高的通信速率和抗干扰能力。

9过载能力为120%1min满足泵类和风机类负荷要求。

10采用全中文操作平台。便于学习,直观、清楚。容易掌握。触摸屏可随时显示变频器的工况,工作参数及故障类型和故障点,便于分析和查找。

 

5效益分析

NLVERT-D061600.A变频器自2005年在建设兵团新疆奎屯电厂投运以来。达到改造的目的运行良好。

根据变频改造前后的运行记录。每一班8小时,变频改造前。耗电为10000KW/h变频改造后,每一班8小时,耗电为8000KWh变频改造后相比改造前节能达20%。依照年平均运行300天计算,年节电可达:1000080003300=180万度,经济效益十分可观。

变频改造以后。防止了起动过程中转子绕组及阻尼绕组承受很高的热应力和机械应力,由于电动机的变频软起动可提供高的起动转矩且平滑无冲击。延长了电机和水泵的使用寿命;电动机的变频软起动对独立电网的电压没有任何冲击影响;另外调整阀门全开,使调整阀工作安全特性变好,通过调节电机转速来实现给水压力和流量的调节,减少了阀门处的阻力损耗,提高了系统效率;使用变频调速方法来改变压力的调节方法非常连续,使锅炉汽包水位自动调节系统的反应连续平滑,改善了锅炉给水调节系统的性能,提高了生产工艺的自动化水平。

6结论



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