摘 要：探討高壓變頻調速系統在硫酸工業主風機改造及應用，可能出現的問題。使用后的節能效果和控制操作分析。
關鍵詞: 高壓變頻器 主風機 改造和應用
一.企業介紹
三明鑫隆化工有限公司成立于2004年12月22日，是通過收購股權，擴大投資資金，組成新的股份制企業，注冊資金2000萬元。公司地處三明市梅列區陳大鎮臺溪村，占地面積40畝，距市區及火車站10公里，離三泉高速公路入口處僅7公里，交通便利，環境優美。公司辦事處設在三明市梅列區東新三路梅列建行六樓。形成以硫化鋅為原料的制酸生產系統，年產硫酸6萬噸，氧化鋅3.6萬噸的生產規模。現有員工110人。
二.廠家工藝流程及現狀
我國用于硫酸工業中的鼓風機，最早在50年代應用于冶煉煙氣制酸工藝流程，由于硫酸工業80年代開始得到迅速發展,硫鐵礦制酸、硫磺制酸等制酸工藝不斷發展，從而硫酸工業中的鼓風機需求形式也不斷變化，由過去的以防腐為主,轉變為追求高效率。離心鼓風機在硫酸工業中的各種工藝流程中輸送著不同的氣體，在冶煉煙氣制酸工藝流程中輸送含6～8%SO2的煙氣，在硫磺、硫鐵礦、磷石膏制酸工藝流程中輸送空氣和SO2氣體。
硫磺制酸與礦制酸和冶煉煙氣制酸不同，進入主鼓風機的介質是空氣而不是含二氧化硫氣體，因此有條件將主鼓風機放在干燥塔之前（即風機處于干燥塔上游），從而對硫磺制酸來說，有風機在塔前、塔后之分。
風機在干燥塔前、塔后，各有優缺點。風機在干燥塔塔后，進入風機的空氣已經干燥塔的干燥處理和洗滌除塵了，進入風機的空氣是干燥無塵的，但對應于干燥塔塔頂除霧器的除霧效率，塔后流程進入風機的干燥空氣中含微量98%酸霧，與礦制酸與冶煉煙氣制酸不同的是，該酸霧酸濃高，腐蝕性相對減小，并且酸霧量也會少的多。
風機在干燥塔之后，主要是利用風機的壓縮熱，這部分熱量帶入焚硫轉化工段的廢熱鍋爐產生蒸汽，而當風機在干燥塔之前，風機壓縮熱則需用循環水冷卻移走。
三明鑫隆化工有限公司有6萬噸硫酸生產線的硫酸鼓風機系統采用630kW/10kV電動機拖動的離心鼓風機，為改善運行工藝,以前都是采用調節風門的大小來調節風量，這種方法費時費力也不好掌握，風門在一個位置時間長了，由于風力的作用容易造成風門的局部變形，在下次操作中就有可能會出現卡滯現象對安全生產造成威脅,再有就是浪費大量電能,項目現場不僅粉塵較多并且含有大量的SO
2氣體，對設備的防塵、防腐蝕提出了特殊要求；風機要求較大的啟動轉矩，在調節氣體輸送量時需要保持風機出口的壓力，設備要求具有更高的啟動性能等等；并且由于用戶硫酸鼓風機轉動慣性非常小，所以用戶要求高壓變頻器變頻運行與水阻柜工頻運行之間的相互切換必需非常迅速，要求6秒內可以完成由工頻轉變頻或變頻轉工頻的相互切換，對變頻器的性能尤其是無沖擊啟動高速旋轉的電機提出了更高要求。
三.系統技術方案研究與選型
經過對全國各高壓變頻生產企業進行現場調研分析后，最后決定采用采用了一套深圳
英威騰電氣股份有限公司的自主研發、生產的多單元串聯的高─高形式的CHH100系列10kV/630kW高壓變頻器調速裝置。通過雙方技術人員的合作，共同制定了風機的變頻改造方案，改造方案如下：
1.變頻調速技術在硫酸鼓風機系統中應用后，主要體現了以下幾個特點：
(1.1)以前電氣和閥門等控制方式都應繼續保留，以便在風機系統在任何情況下都能運行。
(1.2)根據以往工程應用情況，現場的風機設備在正常調節過程，我公司CHH100系列變頻器都能滿足升降速調節的時間要求，可以不用單獨配置制動單元。
(1.3)硫酸鼓風機系統設備功耗隨硫酸濃度生產工藝變化負荷運行，提高了系統效率；實現了硫酸鼓風機系統的最佳工況運行。取得顯著的節能效果。
(1.4) 大大有效降低了硫酸鼓風機系統負荷率，延長了硫酸鼓風機系統等設備的使用壽命。
2.變頻器配置
根據現場的額定參數和實際運行工況,再結合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程地應用情況，我公司為其配置如下變頻器，其主要地參數如下：
|
序號
|
變頻器項目
|
參數
|
|
1
|
變頻器型號
|
CHH100-0630-10
|
|
2
|
額定容量
|
800kVA
|
|
3
|
額定電壓
|
10kV
|
|
5
|
額定電流
|
46A
|
|
6
|
控制方式
|
一拖一自動切換
|
|
7
|
變頻器數量
|
1臺
|
3.變頻系統切換旁路方案
根據現場的額定參數和實際運行工況，再結合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程應用情況,我方提供的CHH100變頻器的切換系統采用一拖一自動控制方案，變頻器具有轉速跟蹤功能，其一次系統如下圖所示：
變 頻調速系統由用戶開關柜、水阻起動柜、進線柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。進線柜是由二個真空接觸器KM1、KM2和兩個高壓
隔離開關 QS1、QS2組成。QS1、QS2用于變頻器維護過程中高壓隔離。電機以變頻方式運行時，QS1、QS2和KM1、KM2閉合，水阻起動柜不工作。電機 以工頻方式運行時，QS1、QS2和KM1、KM2斷開，水阻起動柜工作。進線柜與和水阻起動柜互鎖，完全能夠保證變頻調速系統安全運行。
-
自動旁路方案優點：
-
根據系統工藝地要求，能夠快速地進行變頻與工頻的切換，確保系統的安全運行。
-
該切換控制有兩種起動方式,不論那種方式起動運行,都具有軟起動功能,不造成對電網沖擊.
-
變頻器輸入、輸出設計有隔離刀閘，便于變頻器的維護與檢修。
-
操作方便，可以就地操作，也可遠程操作，易于實現自動控制。
4.變頻器控制方式
在系統管道入口氣體上安裝檢測硫酸濃度和溫度的傳感器，將傳感器4-20mA的標準信號反饋到遠程監控室DCS系統,與硫酸濃度和溫度調節設值和比較,經運算與給定壓力參數進行比較，得出一調節參數，送給變頻器，由變頻器控制風機的轉速，從而調節干燥塔入口的補充空氣量.
5．英威騰CHH系列高壓變頻器技術特點
我 公司是深圳市英威騰電氣股份有限公司，是一家以高壓變頻器為主導產品，集研發、制造、銷售為一體的專業制造廠家，擁有自主知識產權、技術研發和生產制造基 地；產品涵蓋高、中、低壓系列，覆蓋高、中、低端市場，是目前國內產品線最為齊全的變頻器企業；國內變頻器行業的實力品牌和領先品牌.在產品方面有獨特的優勢，下面產品的技術優勢做詳細介紹：
(1) DSP控制技術——功能更強大、控制更精準、調速范圍更寬
CHH100系列高壓變頻器主控系統采用DSP＋FPGA巧妙配合，具有300多個功能碼，強大的功能包括節能模式、多種運行模式、多種啟動方式、集成PID功能、完善的保護功能等等，可以對啟動特性、運行模式等功能根據現場工況進行不同設定。在高性能控制器硬件平臺上，結合先進的控制技術，完全能夠滿足低頻（10Hz以下）穩定運行，實現低速大轉矩負載啟動和運行，將異步電機的控制性能提高到一個新的高度。
(2)模塊化的結構方式，9級或6級單元串聯——電壓和電流余量更大
CHH100系列高壓變頻器為電壓源型、高-高結構變頻器，為單元串聯多電平拓撲結構，高壓大功率變頻器是由多個功率模塊串聯而成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出，其諧波指標滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波
濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。器件的選擇以安全、可靠、使用壽命長為首要設計原則，采用1700V高壓IGBT，輸出的變頻器采用的是9級或6級模塊串聯方式，功率器件的電壓余量和電流余量都在1.1倍以上， 器件參數余量大，可靠性較高。
(3)全面的保護功能——變頻器系統保護和功率單元保護完善
CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護；主控系統采用DSP＋FPGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、過載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據現場不同的工況進行參數設定，完全能夠保證電源及電機的安全運行。
(4)電機轉速自動跟蹤啟動功能——滿足不同的負載特性
CHH100系列高壓變頻器有多種啟動方式：1) 直接啟動；2) 先直流制動再啟動(對于風機類可能由負載帶動反轉場合，可以先通過直流制動把電機剎住車再啟動，從而避免啟動時產生巨大的沖擊電流)；3) 轉速追蹤啟動。變頻調速系統首先追蹤電機的當前轉速，然后在當前電機的轉速的基礎上直接啟動。
為了適應現場負載電機旋轉時啟動，CHH100系列高壓變頻器可以選擇旋轉中再啟動功能。在啟動旋轉中的電機時，變頻器可自動搜索跟蹤電動機轉速按照設定加減速時間恢復正常運行狀態（即轉速跟蹤技術），可確保電機在調速范圍內的任何轉速下，無需停車即可直接無沖擊啟動CHH100系列高壓變頻調速系統，不用顧慮電機的運行狀態，可以實現高壓電機即時的啟動和停止控制，保證機組安全啟動。為確保現場操作的靈活性，完全可以根據現場需要進行功能碼設置，選擇相應的啟動方式。
(5)停電來電自動啟動功能——滿足電網跌落和母線切換要求
CHH100系 列高壓變頻器在主電源母線切換過程中，變頻器能夠自動跟蹤電機的轉速，當主電源恢復后變頻器自動運行起來，保證了機組安全可靠運行。為了適應國內電網波動 大，現場主動力電源母線段切換的要求，變頻器設計有高壓停電來電自啟動功能，在現場主動力電源母線段切換過程中，系統自動識別網側電壓變化，系統保護不停 機；待電網電壓恢復后，自動啟動設備運行至給定頻率值，滿足現場對設備的高可靠性要求。是否選擇自啟動有效及自啟動的時間都可以通過功能碼進行設置。
(6)超強的電網適應能力——電壓范圍寬、多種控制電源供電方式
CHH100系列高壓變頻器對電網電壓在+10%～-15%范圍內波動，變頻器能滿載輸出；電網電壓短時（30秒）下降至額定電壓的65％時，可繼續降額運行，不進行保護。
為了提高控制電源的可靠性，滿足現場控制電源多樣性的要求，CHH100系列高壓變頻系統控制電源可接收AC220V，且可以同時接受雙路交流220V電源，互為備用，采用雙電源自動轉換開關，實現無擾切換，確保控制電源的穩定。除此之外還可以根據現場情況選擇外供控制電源與內部自身轉化的控制電源進行切換，可以確保變頻器運行后，控制電源掉電不影響變頻器的運行。
外供交流和內部控制電源都出現問題時，變頻器還可以無擾動切換到自備UPS供電，變頻器可以繼續運行，做到控制電源丟失時（比如維修人員誤拉低壓電、開關跳閘、熔絲熔斷等），仍然保證變頻器和輔機設備的運行安全。
(7)功率模塊旁路技術——可選擇手動旁路和自動旁路
模塊旁路技術提高了系統的穩定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊旁路技術，可在1ms內旁路故障模塊，變頻器降額并可長期運行，等適當時候停機處理。在現場應用過程中，根據現場情況，可以選擇手動旁路方式，在現場功率單元有異常時，可以手動設定該功率單元旁路，重新啟動變頻器，不影響正常生產。
CHH100系列高壓變頻器功率單元設計有一級單元的冗余量，單元旁路后，系統自動檢測輸出電壓，可以自動調節輸出電壓波形，使輸出電壓達到額定電壓，輸出功率達到額定功率。
(8)多種接口方式——硬接線和通訊方式
CHH100系 列高壓變頻器具有多種接口方式，可以根據現場的情況選擇硬接線方式和通訊方式，變頻器內部不需要做修改即可滿足現場接口的需要。采用硬接線時，用戶端子都 是可編程端子，每個端子的功能都可以使用功能碼進行設定。接口端字可以根據用戶的需要監視的信號進行設定和擴展，完全能夠滿足招標方的控制和監視要求。
我方提供的CHH100系列變頻裝置配置標準的工業通訊接口，采用標準的RS485通訊接口，產品支持Modbus現場
總線，可以和現場自動化控制系統實現實時數據交換功能真正實現遠程監控功能。
(9)全面的參數記錄——運行查看及故障查詢
CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數過過程變量，包括每個模塊的溫度、母線電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過通訊上傳至DCS系統。變頻器出現異常時對變頻器的狀態（變頻器的運行頻率、輸出電壓、輸出電流、單元的溫度及單元的電壓等）都有全面的記錄，以便現場人員更準確、更快捷地解決問題。
(10)最簡潔操作、最快捷維護
CHH100系列高壓變頻器具有人性化的接口設計、界面簡潔清晰，選用中文人機界面，是一套以低功耗CPU為核心的高性能一體化機。方便可靠的防滑薄膜鍵盤，以及具有無噪音、無運動部件、大容量數據存儲、使用壽命長的特點，同時該人機界面復位重啟迅速、并帶有死機自復位的功能。
同時系統界面功能強大，產品支撐軟件為漢化的最新的正版軟件，軟件完全自主開發，標準化設計；界面顯示內容豐富且直觀形象，能夠顯示系統狀態變量的實時顯示和監控，如具有故障信息查詢、運行數據記錄、變頻器參數查詢及設置、系統自診斷等等。
(11)其它的特殊功能：
CHH100系 列高壓變頻器對輸入電壓、輸入電流和輸出電壓、輸出電流都有檢測，同時在控制方面采用獨特的過壓和過流抑制技術，檢測到電壓、電流超過一定系數時，系統提 前調整，使電壓、電流恢復到正常的范圍內，該技術特別適用與電壓、電流波動比較大的水泥行業的高溫風機及其它行業的除塵風機，能夠避免塌料和粉塵增多、突 然打開閥門引起的過壓及過流停機，增強了變頻系統的可靠性。
CHH100系列高壓變頻器具有節能模式運行，根據負載的變化，采用智能微電腦技術，自動調節變頻器的輸出電壓、電流，達到最節電的方式運行。
CHH100系列高壓變頻器對電流智能控制，采用低頻時電流震蕩抑制技術，確保變頻器在低頻時穩定運行。
CHH100系列高壓變頻器有多種頻率設定方式：
(1).LED 鍵盤給定通訊給定 (2).模擬信號輸入給定 (3).高速脈沖給定
(3).PID控制調節給定：通過PID給定與反饋的比較，自動調節頻率，在恒壓供水系統上應用尤其方便。
(4).多段速給定：變頻調速系統可以設置多個頻率段，以及加減速時間，由端子靈活的選擇在這些頻率段時間切換。
同時為了運行頻率控制更加靈活，CHH系列變頻器支持兩個頻率源，實際運行頻率可以取這兩個頻率源的任意一個，或者對兩個頻率源進行和、差，以及最大值組合。
用戶除了使用頻率源控制頻率以外，還可以通過up/down按鍵或者數字量端子靈活的對運行頻率進行增加、減小的微調。
有些負載(比如風機、水泵)都不是恒轉矩負載(風機水泵的轉矩與速度的二次方成正比)。為了適應這種變轉矩的負載特性，CHH系列高壓調速系統提供了多點V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線可供選擇。
并且在可以在V/F的啟動低頻段進行電壓提升，滿足現場實際的調速需求。
CHH100系列高壓變頻器具有輸出電壓自動調節功能，由于我方提供的高壓變頻器有一級功率模塊的富裕量，高壓變頻調速系統可以根據母線電壓的波動自動調節輸出PWM信號的占空比，從而減輕電網電壓波動對于輸出電壓波動的影響。在母線電壓波動情況和功率模塊旁路的情況可以自動調解輸出電壓，保證輸出電壓的穩定，使電機不受系統電壓波動影響。
四、節能分析
1.經濟效益
根據生產情況，風機運行38HZ左右就能滿足了生產工藝要求；運行轉速在額定轉速的75%左右。該項目的最大意義是解決工藝上風機運行溫度問題，上表列出的改造后硫酸鼓風機的進風口、出風口溫度下降明顯6～8℃，風機油溫與軸溫下降7～14℃。
為了對硫酸鼓風機系統變頻改造后的效果進行評價，在系統投入正常運行一個月后對設備實際使用和節電情況進行了測定和數據分析。
隨機抽取2個正常生產日，將系統切換至工頻運行系統采用擋板控制調節風量。現場通過測量儀表進行測量數據如下表:
|
調節方式
|
輸入電流
|
輸入電壓
|
輸入功率因數
|
運行功率
|
日耗電量
|
|
閥門調節
|
33.56 A
|
9970V
|
0.74
|
428.84 KW
|
10292.19 度
|
|
變頻調節
|
17.46 A
|
9972V
|
0.97
|
292.51 KW
|
7020.32 度
|
測試結果表明,
630KW/10KV硫酸鼓風機在閥門調節和變頻調節的節能比較如下表:
|
名稱
|
數據
|
|
節電率
|
31.79%
|
|
日節能電量
|
3271.87 度
|
|
年節能電量
|
101.42萬度
|
|
年度節電效益
|
43.61萬元
|
通過對上表原始數據可以得出：硫酸鼓風機在變頻改造后較改造前，電耗降低了136.33kW·h。設備節電率高達31.79%，節能效果顯著。
本次硫酸鼓風機配套用CHH100T系列高壓變頻調速系統改造成功后，由于實現了頻率的遠方調節和狀態監控，產品運行可靠、穩定，大大地改善了工藝.
2.其他效益
-
由于采用變頻控制，可對風量進行精確控制，而且與閥門控制相比更直觀、方便調節風機風量來滿足生產需要；
-
由于采用了變頻技術，電機實現軟啟動，不存在啟動電流沖擊；減少了風機出口壓力瞬間提高對風機的沖擊，從而延長了風機和其他設備的使用壽命;
-
由于風機轉速降為原來的75％，大大減少了風機管道振動頻率和噪聲，延長風機、電機軸承的機械壽命；
-
由于旁通閥門幾乎不操作，減少了風道的振動與磨損腐蝕，提高了機械壽命，SO2 溫度降低后對風道和管路閥門的腐蝕作用減小。
五.結束語
可見，投入一臺深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器后，該設備全年節約電費均可達43.61萬元左右。另外，由于深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器功率因數可達0.95以上，大于電機功率因數0.89，減少大量無功。并且實現電機軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機絕緣的影響，減少電機維護量，節約檢修維護費用，同時電機壽命大幅度延長。減輕了運行人員的勞動強度，深受運行人員和維修人員的歡迎。除塵風機經變頻器改造后，節能效果顯著，達到設計要求，該系列變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業應用的證實。
參考文獻：
[1] 風機
水泵節能改造指南(國家經濟貿易委員會資源節能綜合利用司編).
[2] 交流電動機變頻調速節能技術指南(國家經濟貿易委員會節能信息傳播中心編).
[3]《CHH100系列使用說明書》
