煤氣加壓機變頻提效和節(jié)能改造

徐雷雷，劉 健，何 佳，高麗娟，王 成，孫小六

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司能環(huán)部，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼能環(huán)部第一集控站設置了2 臺加壓機，承擔南北區(qū)高爐煤氣（BFG）雙向輸送功能，通過加壓風機機前調節(jié)閥門及回流閥實現(xiàn)壓力及流量控制。2017年12月投入運行以來，正常情況下該加壓站啟運1臺風機即可滿足南北區(qū)BFG輸送平衡任務。從精細管控、經(jīng)濟運行角度看，尚存在一些問題需要解決。輸配系統(tǒng)工藝圖見圖1。

圖1 高煤輸配系統(tǒng)工藝圖

1 問題分析

1.1 BFG輸送電耗高

南北區(qū)BFG 平衡輸送是動態(tài)的，除高爐休風外的大多時段是(3～5)×104m3/h 的低流量輸送，或者自流，輸送方向調整也是常態(tài)。由于南區(qū)高爐煤氣壓力波動大。為避免風機頻繁啟停、減少操作量，站所控制風機調節(jié)閥開度來調整負荷，煤氣輸送量較小，為防止風機喘振，需開啟回流閥確保風機流量。各因素疊加，電機正常工作電流達到39 A（電機額定電流44.7 A），造成BFG輸送電單耗過高（見表1）。

表1 BFG南北區(qū)平衡輸送單耗統(tǒng)計

1.2 調控難度大、精度差

第一集控站BFG 加壓站工藝條件特殊，制約因素有：南區(qū)管網(wǎng)壓力波動大；大流量輸送時，北送南要關注機前壓力≥3.5 kPa，防止影響附近大鍛件混合加壓站。南送北要關注機前壓力≥7 kPa，防止影響4#高爐鼓風機站，且要關注機后壓力≤16.5 kPa，以保管網(wǎng)安全運行；目前控制系統(tǒng)中僅有聲光報警提示，沒有自適應調控手段，需人工頻繁干預負荷調節(jié)。

2 改造技術方案

結合前期煤氣加壓站變頻改造的成功經(jīng)驗，對BFG 加壓站增設變頻設施。采用高壓變頻調速技術改變現(xiàn)有調速方式，使負載功耗能夠根據(jù)生產工況變化準確地實現(xiàn)跟蹤調節(jié)。合理地控制負載運行狀態(tài)、降低電耗水平。

根據(jù)第一集控站電動機參數(shù)及技術特點（表2），選用10 kV 輸入、10 kV 輸出、8 級單元串聯(lián)的SBH-100-710 系列高壓變頻器，配置一拖一自動旁路柜。

表2 第一集控站BFG加壓站風機參數(shù)

2.1 一次回路技術方案

高壓電源經(jīng)隔離KM1 和斷路器QS1 到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)斷路器QS2 和隔離KM2 至電機；高壓電源還可經(jīng)旁路斷路器QS3 工頻起動電動機。采用兩種運行方式的原因：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，可斷開進出線斷路器QS1 和QS2，將變頻裝置隔離，合旁路斷路器QS3，在工頻電源下電機運行[1]。斷路器QS1、QS2 和QS3 三者之間具有閉鎖和防止誤操作功能。見圖2。

圖2 加壓風機變頻調速系統(tǒng)主回路圖

方案投資少，主回路及控制系統(tǒng)幾乎不需要較大改動，就可實現(xiàn)在原有基礎上的變頻改造。該系統(tǒng)結構簡單，可靠性高，可手動切換至工頻模式，增強了系統(tǒng)的連續(xù)運行能力。當變頻器發(fā)生輕故障時，變頻器功率單元具有旁路功能，保證變頻器整機的正常運行[2]；當變頻器發(fā)生重故障時，變頻器封鎖輸出，并發(fā)出故障信號，同時可轉換至工頻旁路，提高設備使用率和可靠性。

2.2 二次控制回路技術方案

提供用于遠程PLC 控制（或機旁操作箱）的數(shù)字量與模擬量，將控制端子引入控制系統(tǒng)，編制程序將相關測點進行聯(lián)鎖，自動調整變頻器頻率，滿足自動操作控制的要求。

2.3 控制方式

高壓變頻器可以在就地操作和觸摸屏(安裝在高壓變頻柜上)顯示運行相關參數(shù)，如電壓、電流、頻率、給定頻率和實時狀態(tài)和故障報警等內容。并且可以通過控制系統(tǒng)在BFG 輸配系統(tǒng)監(jiān)控主機上遠程操作啟停、手動/自動控制和顯示主要參數(shù)，如變頻器柜運行狀態(tài)參數(shù)、運行頻率、給定頻率、電機電流。變頻器遠程操作在“變頻器就緒”狀態(tài)顯示后即可按“啟動”按鈕啟動，啟動后可以“手動”運行，設定運行頻率和回流閥閥位，也可以設定流量后按“自動”按鈕轉自動運行。此時，變頻器將跟蹤所設定流量自動調節(jié)頻率。運行中可以實時監(jiān)控機前后壓力、雙向流量、反饋頻率、電機電流、回流閥閥位等參數(shù)。雙向閥組閥位反饋故障、計量故障、機前后總管壓力檢測故障、壓力超限、電機過載、變頻器故障則會在監(jiān)控畫面顯示和聲光報警且根據(jù)故障情況采取不同的聯(lián)鎖保護方式。見圖3。

圖3 變頻器操作監(jiān)控畫面

(1)控制方式1：手動控制。變頻器可以在操作畫面上手動控制，操作人員可以在畫面上選擇“手動”操作方式并確定，系統(tǒng)轉入手動控制狀態(tài)，手動輸入設定頻率和回流閥閥位，變頻器根據(jù)設定的頻率運行。

(2)控制方式2：自動控制。系統(tǒng)根據(jù)工藝要求設定三種自動操作模式，即南送北、北送南、自流。系統(tǒng)采用一鍵操作模式。

南送北操作模式。系統(tǒng)在北送南狀態(tài)運行，此時雙向輸送閥組閥1 和閥3 全開，閥2 和閥4 全關，變頻器在自動狀態(tài)，頻率跟蹤設定流量，回流閥在全關位置。操作人員按調度指令輸入設定流量，檢查無誤，在操作畫面上選擇“南送北”，此時雙向輸送閥組閥2 自動打開，閥4 自動打開。同時，系統(tǒng)自動解鎖變頻器流量調節(jié)模式，指令變頻器將頻率降為允許最低頻率運行，閥4打開到位后，系統(tǒng)處于自流狀態(tài)，雙向輸送閥組閥1 關閉，閥3 自動關閉，系統(tǒng)即處于南送北自動操作模式，系統(tǒng)開始自動跟蹤設定流量運行并自動調節(jié)頻率。南送北一鍵操作模式完成，畫面顯示在南送北運行狀態(tài)。

北送南操作模式。系統(tǒng)在南送北狀態(tài)運行，此時雙向輸送閥組閥2 和閥4 全開，閥1 和閥3 全關，變頻器在自動狀態(tài)，頻率跟蹤設定流量，回流閥在全關位置。操作人員按調度指令輸入設定流量，檢查無誤，在操作畫面上選擇“北送南”，此時雙向輸送閥組閥1 自動打開，閥3 自動打開。同時，系統(tǒng)自動解鎖變頻器流量調節(jié)模式，指令變頻器降為允許最低頻率運行，閥3 打開到位后。系統(tǒng)處于自流狀態(tài)，雙向輸送閥組閥2 自動關閉，閥4 自動關閉，系統(tǒng)即處于北送南自動操作模式，系統(tǒng)開始自動跟蹤設定流量運行并自動調節(jié)頻率。北送南一鍵操作模式完成，畫面顯示在北送南運行狀態(tài)。

自流操作模式。系統(tǒng)在南送北或北送南狀態(tài)運行，此時雙向輸送閥組閥2 和閥4 全開狀態(tài)，閥1和閥3 全關或相反。變頻器在自動狀態(tài)，頻率跟蹤設定流量，回流閥在全關位置。操作人員接調度指令，要求自流。操作人員根據(jù)調度指令在操作畫面上選擇“自流”，此時，關閉的閥組按順序自動打開到位，同時系統(tǒng)自動解鎖變頻器流量調節(jié)模式，指令變頻器將頻率降為允許最低頻率運行。系統(tǒng)即處于自流自動操作模式，自流一鍵操作模式完成，畫面顯示在自流運行狀態(tài)。

另外，系統(tǒng)在運行中可能的故障狀態(tài)有，雙向閥組閥位反饋故障、計量故障、機前后總管壓力檢測故障、壓力超限、電機載荷過大、變頻器故障等。為保證系統(tǒng)的安全運轉，在故障時，將自動轉入相應故障的運行狀態(tài)。

3 應用效果

一集控站高煤輸配風機變頻改造后于2018 年12月投入試運行。

3.1 南北區(qū)高爐煤氣輸送平衡效果

南北區(qū)高爐煤氣輸送平衡效果。單機南送最高達11×104m3/h，北送可達8.5×104m3/h 以上，較改造前分別上升10%、15%，且電機電流仍有較大余地；進出口總管壓力，尤其輸送量趨于穩(wěn)定。見圖4、圖5。

圖4 改造前后出口管壓力趨勢圖

圖5 改造前后輸送量趨勢圖

3.2 變頻節(jié)電效果

改造后，通過變頻設施降低電耗，風機單耗由改造前的3.857 kWh/GJ 降至1.567 kWh/GJ，節(jié)電59.37%。見表4所列。

表4 改造前后單耗統(tǒng)計

3.3 控制精度

改造后，依托雙向流量和變頻，通過編制控制程序定流量運行，人工極少干預高爐煤氣平衡輸送，有效降低了員工操作量，提高調整精度。

4 結束語

通過對該加壓站實施風機變頻節(jié)能改造，優(yōu)化其控制邏輯，提高自動化水平，實現(xiàn)了輸送方式的“一鍵操作”，南北區(qū)高爐煤氣自動、定流量輸送。通過自動報警和程序控制，變頻器自動應對進出口總管壓力異常、電機過載、管網(wǎng)壓力波動等問題，使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。另外，煤氣輸送單耗降低，由改造前的3.857 kWh/GJ降至1.567 kWh/GJ。