变频调速在煤气加压站恒压供气上的应用.pdf

第 3 8卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 包钢科技 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f B a yo u S t e e l V o 1 ． 3 8， N o ． 1 F e b r u a r y， 2 0 1 2 变频调速在煤气加压站恒压供气上 的应用 康宏涛， 张永胜 包钢集团设计研究院， 内蒙古 包头0 1 4 0 1 0 摘要 为了保证煤气的正常生产及居民民用煤气的稳定供给， 包钢燃气厂民用煤气车间加压站对煤气加压系统 进行了改造， 对 2台罗茨风机采用变频调速及 P L C控制， 实现了恒压供气。实际使用证明， 改造后煤气的生产及居 民民用煤气的稳定供给得到了更可靠的保证， 故障率明显降低 ， 且节能效果显著。 关键词 罗茨风机 ； 变频器调速； P L C； P I 闭环控制系统； 恒压供气 中图分类号 T P 2 7 2 文献标 识码 B 文 章编号 1 0 0 9 5 4 3 8 2 0 1 2 0 1 0 0 7 00 3 App l i c a t i o ns o f Fr e q ue nc y Co nt r o l i n Ga s Sup p l y wi t h Co n s t a n t P r e s s u r e i n Gas Co mp r e s s o r S t a t i o n s KANG Ho n gt a o， ZHANG y 0 一s h e n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o fB a o t o u S t e e l G r o u p C o r p ． ， B a o t o u 0 1 4 0 1 0 ， N e i Mo n g g o l ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e n s u r e t h e n o r ma l p r o d u c t i o n s o f g a s an d s t a b l e s u p p l y o f d o me s ti c g a s ， t h e g a s c o mp r e s s i o n s y s - t e rn o f g as c o mp r e s s o r s t a t i o n i n Do me s t i c Gas Wo r k s h o p o f Ga s P l a n t i s r e f o rm e d ． T h e t wo Ro o t s b l o we r s a r e w i t h v a r i a b l e e q u e n e y c o n t r o l a n d P L C c o n t r o l S O t h a t t h e g as s u p p l y i s wi t h c o n s t a n t p r e s s u r e ． T h e a c t u al u s e s p r o v e that t h e p r o d u c t i o n o f g a s and s t a b l e s u p p l y o f d o me s t i c g a s h a v e b e c o me m0 r e r e l i a b l e． t h e f a i l u r e r a t e h a s b e e n d e c r e a s e d s i g n i fic an t l y a n d t h e e ff e c t s o f e n e r gy c o n s e r v a t i o n a r e remark a b l e ． Ke y wo r d s Ro o t s b l o w e r s ； f r e q u e n c y c o n t r o l o f i n v e r t e m； P L C； c o n t r o l s y s t e m w i t h P I c l o s e d l oo p s ； g a s s u p p l y w i t b c o ns t a n t pr e s s ur e 包钢燃气厂民用煤气车间加压站现有煤气加压 风机 5台， 均为罗茨风机 ， 风机的电机型号为 J B 3 3 1 5 L一 6 3 8 0 V 1 6 0 k W。加压机的用途为从煤气柜 向外管网输送煤气供给包头市居民使用。改造前 由 于加压机电机没有采用变频调速控制 ， 外管网压力 供气不足或供气过剩的情况时有发生， 现场采用启 停加压风机与开闭回流阀的人工操作方式调整管网 压力 ， 不能实现供气 和用气 的平衡。此次改造对其 中 2台加压风机采用 P L C 、 变频器构成的 P I闭环控 制系统可 自动保持供 气 的压 力恒 定 采用 V ／ F控 制 ， 使供气和用气 之间保持平衡 ， 即用气多时 ， 供 气也多； 用气少时， 供气也少 。正常情况下采用两台 工频加压风机与一台变频加压风机配合使用， 改造 后的变频调速控制 的恒压供气 系统 的运行状态正 常 ， 保证了全市居民民用煤气 的正常供应 和燃气厂 的正常生产与现场节能的要求 。 l 变频基本理论 变频调速是一种高效率、 高性能的调速方式 ， 使 用异步电动机 或同步电动机 在整个工作范围内 收稿 日期 2 0 1 1 一l 21 O 作者简介 康宏涛 1 9 7 5一 ， 男， 河北省廊坊市人 ， 电气工程师， 现主要从事电气设计工作。 第 1期 变频调速在煤气加压站恒压供气上的应用 7 1 保持在正常的小转差率下运转 ， 实现无级平滑调速。 交流电动机的转速为 n n 0 1一s 6 1一s ／ p 1 式 中 n 电动机转速 ， r ／ mi n ； 电动机同步转速， r ／ mi n ； r电动机极对数 ； s 转差率 ； 电源频率 ， Hz 。 由式 1 可知， 当转差率s 和电机极对数P 不变 时 ， 交流电动机 的转速与电源频率成正 比。 如果忽略定子压降的影响， 异步电动机定子电 压满足下面的两个关系式 U 。 E l 2 M K m 1 2 c o s q 2 3 式中 电磁转矩 ， N m； 1定子感生电势 ， V； 电势常数 ； 定子电源频率， Hz ； 主磁通 的最大值 ； 电机的转矩常数； ， 2 转子电流 ， A； c o s 转子功率因数。 异步 电动机从基速向下调速时 ， 为了不使磁通 增加 ， 通常采用 U ／ f常数 的控制方式⋯ 。 2 设计过程 2 ． 1 罗茨加压风机运行特性 罗茨加压风机正常情况下 ， 压力的变化对风量 影响很小 ， 罗茨风机基本属于定容 ； 吸气和排气时无 脉动 ， 不需要缓冲气罐 ； 所以压力 的变化与风机的转 速成正比， 又因为罗茨加压风机低速运行 ； 有较硬的 机械特性 ； 根据工艺要求可以设定不 同的速度； 因此 可采用转速控制的方式实现对煤气外管网压力的控 制 。 2 ． 2 变频器容量的确定 根据罗茨风机电机 的运行特性 ， 又结合变频调 速基本理论， 我们选择性价 比较高的 S I E ME N S公司 的 6 S E 7 0装机 型变频器。该 变频器 为 电压 型交 一 直 一交变频器 。 6 S E 7 0变频器有较高电流过 载倍数 ， 最大过载 电流在 3 0 0 S 周期内允许达到额定电流的 1 ． 3 6 倍， 可持续 6 0 S ， 1 ． 6过载可持续 3 0 S 。根据负载情况需 要过载时， 必须使其基本负载电流至多为额定电流 的 9 1 ％。该变频器 的输 出特性完全满足罗茨加压 风机的要求 。 罗次加压风机每台电机容量 P 1 6 0 k W， ，2 8 0 A 4 根据上文所述 ， 基本负载 电流应至多为变频器 的额定 电流的 9 l ％ ， 这样可保证变频器相应 的电流 过载倍数。 即 I , ／ I ≤9 1 ％ 5 电流 即为基本负载电流 ； 是变频器输出额 定 电流 。 由式 4 ， 5 可得 ， u ≥3 0 7 ． 7 A 6 根据 6 S E 7 0变频器样本 ， 额定容量为 1 6 0 k W 的 变频器满足此要求 ， 其 l u 3 1 5 A。 2 ． 3 主 回路 配置 由于变频器额定电流 I o 3 1 5 A， 可以确定进 线 自动开关额定 电流 L 3 5 0 A。 接触器断续周期 工作 电流 ， 3 5 0 A ．为减小电网电压跳跃及网侧 谐波电流对变频器得影响， 在变频器进线端加一 电 抗器。 由于 罗 次 加 压 风机 离 变 频 器 较 远 超 过 1 0 0 m ， 在变频器输 出侧加一滤波电抗器 ， 可 以补 偿变频器的逆变器出来 的谐波电流对电机的影响以 及在长电缆时的电容再充电电流。 2 ． 4 控 制部 分 2 ． 4 ． 1 系统 硬件 构成 本系统 的电气控制部分主要 由 1台 P L C、 1台 工作站 、 2台变频器构成的 P I 闭环控制系统。 将 P L C和工作站放置在集控室 内， P L C负责采 集进气母管的压力值、 出气母管的压力值、 供气母管 的流量值等 ， 用户可 以提供 的 42 0 n 的模拟量 信号， 并输给工作站， 显示在系统工艺流程图画面 上。P L C将工作站设定的给定压力和采集到的出气 母管 的实际压力进行 P I 运算后控制变频器 的运行 和工作频率来调节转速， 最终体现为调节供气量 ， 维 持供用气平恒 。将 P L C和工作站单独放在操作室 内， 可以防止 电磁干扰。采用 D C 2 4 V控制电源可以 避免 由于感应 电势而产生的误动作。 应工艺要求 ， 罗茨加压风机设机旁和集中两地 操作。机旁即在变频器柜上操作设置变频器， 可通 过变频器上 P MU面板进行设置各项参数。通过安 装在柜门上按钮实现起停变频器。集 中操作在操作 室 内的 C R T上操作 。集 中操作 又分手动 和 自动 。 手动和 自动都是通 过 P R O F I B U SD P网实现。为 7 2 包钢科技 第 3 8卷 了实现与 P R O F I B U SD P网相连 ， 在变频器上加了 一 块通讯模板 C B P 。变频器的操作可通过 P L C实 现 。 2 ． 4 ． 2 煤 气恒 压 力 P I 闭环控 制 对于压力参数来说 ， 对象调节通道时间常数 rI D 较小 ， 而负荷又变化 较快 ， 这 时微 分作用要 引起振 荡 ， 对调节质量影响很大 ， 故不采用微分调节规律。 因此 ， 煤气压力 自动调节控制采用 P I 调节。P值越 大 ， 比例调节作用越强 ， I 值越小 ， 积分作用越强。P I 调节原理见图 1 。 图 1 P I 调节原理图 现场采用试凑的方法来确定 P I 参数 ， 这种方法 主要依靠多年积累的调试经验。该方法基本程序是 先根据运行经验 ， 确定一组调节器参数， 并将 系统投 入闭环运行 ， 然后人为地加入阶跃扰动， 观察被调量 或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不 满意 ， 则根据各整定参数对控制过程的影响改变调 节器参数 。这样反复试验 ， 直到满意为止。 2 ． 4 ． 3工作 站上 组 态功 能 1 系统软手操通过在显示器上布置模拟 的按 钮 、 选择开关 、 急停开关 、 指示灯等代替控制 面板上 硬手操功能。 2 工艺流程图 绘制系统的示意图， 采用动画、 颜色变化 、 文字标注等功能形象表示设备的运行状 态。实时将采集来的压力 、 流量等模拟量信号 以数 值或表盘的形式表示在工艺流程 图画面上。 3 系统参数设置 通过模拟数字键盘或拨盘开 关设定和更改压力给定值 ， 要先输入密码确认后才 可修改。 4 供气压力 、 流量实时 曲线 显示功能。工作 站预留有打印机输出接 口， 用户配置打印机 ， 可将记 录曲线打印出来。 5 设备运行状态报 表 系统对风机工作 时间 和流量、 压力超限时间进行 累计并显示。 6 故障时蜂鸣报警并 自动弹出报警框， 即时 掌握故障内容。 7 设有报警历史报表 ， 可供查阅， 便于系统维 护 。 8 提供系统帮助功能。 2 ． 4 ． 4系统 手动控 制 当压力传感器故障或线路故障 ， 系统无法实现 P I 闭环控制时。系统声 光故障报警。工 作人 员可 通过将控制面板上的“自动／ 手动” 切换开关或工作 站将系统设为“ 手动方式” 。此时通过 “ 启动” 、 “ 停 止” 按钮控制变频器启停 ， 用电位器进行调速调压。 3 结束语 交流调速 变频器本身具有 过 电压 、 过 电流、 短 路 、 断相、 过热等保护代替 了燃气厂原有 的自耦降压 起动 电机的控制 ， 它为燃气厂的可靠生产 ， 为全市居 民可靠 ， 稳定 的使用煤气 带来 了保障。为以后 的维 护检修带来 了极大的方便 。全数字交流变频器有 良 好 的计算机通讯功能 ， 为 以后罗茨加压 风机适用更 新 的工艺要求打下扎实 的基础。实际使用证 明， 节 能效果显著 。 参考文献 [ 1 ] 石秋洁、 张燕宾． 变频 器应用基础 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 原魁 ， 刘伟 强． 变频 器基础及 应用[ M] ． 北京 冶金 工业 出版 社 ， 1 9 9 9 ． 1 调整结构 降低成本 提 气 同 质