HIVERT-Y06/154高压变频器在石油焦煅烧回转窑引风机控制系统中的应用

在现代厂矿企业中，采用高压电机拖动已非常普遍，其电能消耗占企业总拖动电能用量的60%以上。以前由于高压变频技术复杂和电子器件耐压限制，一直制约着其实际应用与普及。近几年来，随着高压变频技术的日趋成熟和功率器件耐压能力不断提高，高压变频器的应用日益广泛，变频节能和调速效果也日趋突显。本文以我厂3期石油焦煅烧回转窑负压调节引风机应用HIVERT-Y06/154型高压变频器（北京合康公司生产）实现的调速控制为例，详细阐述了其高压变频器的应用情况及效果。实际应用效果充分证明了国产高压变频器在关键技术研究和生产质量上均已取得了很大的发展和进步，其产品的技术含量和性能均已达到世界同行的水平，其次运行稳定、性能优越、维修方便和价格低等优点，已逐渐赢得国内众多企业的认可。

二、生产工艺

回转窑控制（自动调节或人工操作调节）是将预煅烧石油焦输送入回转窑中进行一定的高温、挥发及焦化处理（即煅烧）。在回转窑煅烧过程中，利用燃烧装置、给料量、给风量、负压等调节，对物料煅烧过程（如煅烧区域温度、窑内负压等参数）进行即时控制，使煅烧窑内的物料按照预定的曲线升温，石油焦在预定的温度曲线下完成焦化过程。回转窑煅烧工艺控制复杂（如图1所示），其煅后焦产量、质量及煅烧实收率等性能受煅烧带温度、位置、长度、挥发份浓度、氧气浓度、窑头窑尾负压、燃料（煤气或天然气）补给量、物料投入量、均匀性等窑内工况的综合影响。在实际生产过程中，调温工通常凭借实践经验进行现场调整。由于煅烧带温度，窑头窑尾负压，给料量，窑体转速，二、三次风及燃料配比等调整不合理，会造成煅后焦真比重、电阻率、晶体形状等指标较大波动。同时对燃料消耗、窑内衬寿命等设备产生一定影响。因此及时和准确控制窑内温度、负压已成为优化煅烧工艺方法之一，而窑内负压的调整又是通过调节引风机的实际引风量的大小实现，过去其引风量通常控制烟道阀门的开度量实现，这种调节方法虽然能达到窑内负压调节目的，但只能进行粗调效果，另外在空载或轻载工况下，风机叶轮工作在较高的转速状态，若风机叶轮动平衡不好（实际中，大多数叶轮使用一段时间后，由于烟尘、水蒸汽等腐蚀性物质浸蚀，均会出现动平衡变差问题），其风叶机体振动显著增大，甚至导致机体、轴承座等机构被振裂现象。

图1 石油焦煅烧工艺流程模拟显示界面

三、控制系统配置

我厂3期煅烧回转窑新建于2008年7月，其石油焦煅烧能力为12t/h；回转窑负压引风机采用三相异步高压电动机（YP7560—6、1000KW、6300V、108.95A、994r/min）拖动，其风量大小调节采用变频调速方式，在正常生产过程（下料量在4—12t/h之间）中，变频器频率一般均设定在28—42Hz范围内，就可满足煅烧生产工艺负压需要。

根据我厂地理位置（地处海拔高度2300多米，变频器需降容使用；海拔高度超过1000米时,每升高100米,要求变频器降容1%使用）、煅烧生产工艺流程及现场使用条件（环境温度超过40℃时）等条件综合考虑，选用HIVERT-Y06/154高压变频器完全可满足负压风机拖动要求，其额定容量1600kVA、适配电机功率1250kW、额定电流154A、额定输入电压6k、输入功率因数≥0.96（额定负载时）、防护等级IP30。其变频器主要由移相变压器、功率逆变单元和控制器等三部分，其装置如图2所示。

图2 HIVERT-Y06/154型高压变频器实物结构图

1、拖动设备

高压异步电动机：YP7560—6 ；1000KW；Ve=6300V,Ie=108.95A；νe=994r/min；0.876；绝缘等级F、Y接法、50Hz；热态时允许启动一次；冷态时允许启动2次；兰州电机有限责任公司制造。

2、离心引风机：

型号：Y7—2X36—22F； 338600m3h（风量）；7500Pa（风压）；νe=990r/min；配套电机1000KW。

3、变频器配置与结构

HIVERT系列高压变频器是由北京合康公司生产的，这是国内专业研发、生产、销售高压变频器的企业之一。HIVERT系列高压变频器采用交-直-交方式，主电路开关元件为IGBT，每相由多个功率单元（如图4所示）串联而成，各个功率单元由隔离变压器提供独立移相电源。通过改变串联单元数量，可得到不同电压等级的输出（不受功率器件耐压的限制）。如额定电压6kV变频器每相由5（或6）个功率单元组成，功率单元额定电压为690V（或640V），串联后相电压为3450V(对应线电压为6kV)，其原理如图3所示。

图3 HIVERT-Y06系列高压变频器（5组功率模块串联）主回路图

4 、HIVERT系列高压变频器特点与性能

(1)电源输出性能

HIVERT通用高压变频器采用功率单元多重化技术，显著削弱了输出谐波含量，其输出波形为正弦波，输出无需增加滤波装置，可以直接驱动普通高压异步电动机，同时电机不需因谐波而降额运行； 可使主回路电机、电缆绝缘免受dv/dt应力的损伤；没有谐波引起的脉动转矩，可延长电机和机械设备使用寿命；电机电缆在压降允许范围内无任何长度限制等特点。

(2)保护功能

HIVERT通用高压变频器设计有正常的过载保护、过流保护、缺相保护、接地保护、过压保护、过热保护外，还设置了限流功能、控制电源故障连锁保护、控制电源双路冗余热备、（可选）功率单元旁路功能、柜门报警功能、锁相功能、变/工频同期互切功能；其次，电机软启动对机械设备及管网无冲击，变频效率高达98%以上；功率单元采用光纤通讯，电气完全隔离，其安全性能高；控制功能配置完善，内置PID调节器，能方便地实现闭环控制系统；设置有多种通讯功能，隔离RS485接口，标配MODBUS RTU通讯规约，可选PROFIBUS DP，遵循工业以太网通讯规约，能较好地与众多厂家PLC和上位机通讯；配置了大容量数据存贮器，能准确的记忆故障记录、运行数据，十分适合故障定位和信息查询。
(3)变压器柜

HIVERT系列高压变频器采用隔离变压器，其副边设置多绕组输出，为功率单元提供独立的移相电源，有利于改善网侧的电流波形，降低设备对电网的谐波污染；根据不同的功率，配置相应的干式变压器专用冷却风机及柜顶离心风机，其冷却风机采用德国EBM风机，风量大，寿命长。

(4)功率单元采用低压IGBT模块为逆变器件

HIVERT系列高压变频器采用功率单元模块化设计，其功率单元采用低压IGBT模块作为逆变器件，与高压IGBT的三电平变频器比较，虽然功率器件数目较多，但在控制技术、制造工艺等方面上却十分成熟。其功率模块为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。功率单元和控制系统之间采用光纤通讯，实现强弱电的完全电气隔离，提高了整个系统的抗干扰能力。每个功率模块结构及电气性能完全一致，可以互换，十分方便整体装置的维修和运行，其原理结构如图4所示。

图4 HIVERT系列高压变频器功率模块控制原理图

(5)控制模式

HIVERT系列高压变频器采用数字信号处理器作控制芯片，全中文操作平台，柜体操作面板为12英寸独立真彩LCD显示和液晶屏直接操作界面，用于变频器接地控制、参数设置、显示变频器运行状态，查询故障记录及通讯联网等功能。其次、变频器操作还可采用异地远程控制（即变频器的频率设定通过上位机给定，如主界面的加减速键或"频率设定"设置运行频率，如图6所示）；另外还可用外部模拟信号直接给定控制。由于控制器设有PID调节功能，可很好地实现给定频率升、降速的平滑性和均匀性。变频器启动后运行于设定频率（可选择开环或闭环控制）。其实时状态监控、启动、停车、急停、复位、运行频率设定、参数刷新、故障记录查看等控制操作，均通过远程上位机或就地柜体操作面板实现。

图5 高压变频器远程频率设定、监控界面

(6)旁路柜或切换柜

HIVERT系列高压变频器设置了旁路柜或切换柜，开关可根据用户工况需求选用隔离刀闸、真空接触器、真空断路器或其他组合方式。旁路柜的配置目的是为了当变频器退出运行后，将电机投入工频电网运行，以保证生产作业的连续性；切换柜的作用是将变频器输出切换到不同电机控制而增设的配置。

5、控制系统原理

应用HIVERT-Y06/154高压变频器实现的石油焦煅烧回转窑负压调节风机控制系统原理如图5所示。通过回转窑总控制PLC、上位机实现风机远程监控和操作（手动和自动控制）。2008年7月设备到货，8月初现场安装，高压柜就位、柜内干式变压器与功率单元的连线、电缆连接和DCS程序及操作界面和运行曲线的制作。9月2日进行了安全上电联锁、变频器控制柜、电机（空、轻载和重载）等调试。9月28日投入正常生产运行。

图6 石油焦煅烧回转窑引风机变频驱动原理图

四、运行效果

自2008年10月我厂3期石油焦煅烧回转窑负压风机高压变频改造投运以来，已连续、长期运行2年多，其变频器一直工作稳定、维护工作量少、节电显著。其实际效果良好，煅烧回转窑负压调节及时、操作简单，达到了准确控制目标，完全满足石油焦回转窑煅烧工艺控制需求，其次变频控制大幅提高了煅烧生产工艺和设备利用等效益，其具体如下：

1、煅烧回转窑负压调节更加精、准、易操作：高压变频器采用远程（上位机）启动、停止操作、运行频率设定和运行状态部分参数时时监控，实现了回转窑负压风机的转速精细、微调控制功能。在实际中，操作人员根据煅烧回转窑具体生产工艺需要，及时地进行变频器频率改变，就能准确地调节电动机的转速，即实现大窑内负压的细微调节控制目的，解决了过去采用调节烟道碟阀开度大小调节负压的方法（这种调节法操作难度大、误差大、易漂移等缺点），其回转窑控制室上位机远程操作控制界面如图6所示。操作人员通过改变变频器频率设定（频率改变率为±1.0Hz，也可设定为其它加减速改变率）实现负压调节。变频器调节的范围为0—50 Hz，因此可随生产需要随意调节负压（即调节风量）。同时回转窑采用变频器控制有利于回转窑煅烧自动调节控制的实现和完善。

2、延长了风机使用寿命：高压拖动电机采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流不超过额定电流，启动时间相应延长，显著降低对电网的冲击作用，并延长了电机及风机叶轮、机体的使用寿命（延缓磨损、腐蚀和老化等速度）。同时使高压电机突破了冷态允许2次启动，热态允许1次启动的限制。

3、设备维护量大幅减少：采用变频调速后，由于启动平稳，低速运行，风机叶轮、机体‘轴承座等装置的振动、噪音和温度明显降低，其零部件的损坏、磨损、腐蚀和老化等速率明显地延长，特别是密封、轴承的寿命大幅增加。其设备检修周期、维护工作量和维修费用非常少，此安装以来，风机每半年只进行了一次叶轮粉尘清理和检查，变频器每半年也只进行了一次日常清灰、检查等工作。与同种设备工频拖动风机比较，其维护成本每年减少82%以上。

4、提高了石油焦煅烧工艺效率：与相同煅烧工艺水平和产力的工频拖动风机装置（如我厂1、2期煅烧回转窑）比较，采用高压变频调速装置后，风机效率平均提高到38％以上，石油焦煅后焦成品合格率、烧损率、比电阻均得到了明显地提高和改善。据实际生产统计，回转窑生产过程中，其主要煅烧工艺参数控制偏差如表1所示。

参数名称

参数范围

最佳工艺要求

闸板调节负压

风机变频调节负压

影响因素

燃烧带温度

1270±20 ℃

1270±45 ℃

1270±26 ℃

负压调节、天然气量

窑头负压

22～34 Pa

10～40 Pa

24～36 Pa

负压调节

窑头温度

900±20 ℃

900±60 ℃

900±25 ℃

负压调节、天然气量

窑尾负压

18～22 Pa

10～25 Pa

18～23 Pa

负压调节

窑尾温度

950±25℃

950±50 ℃

950±30 ℃

负压调节、天然气量

炉膛负压

-85～-75 Pa

-130～-78 Pa

-95～-76 Pa

负压调节

风机进口压力

-2100～-1000 Pa

-2800～-900 Pa

-2800～-1200 Pa

给料量、叶轮转速

表1 回转窑煅烧主要工艺控制参数实际偏差大小

5、提升了回转窑安全运行可靠性：负压调节风机运行工况要求24h连续运行工作制，经常停机会对整个煅烧生产造成严重的影响。甚至突然停机会造成回转窑燃烧不充分、锅炉、烟道内存积大量煤气，发生爆炸现象，故工频拖动运行时，必须要求配置许多其它安全保障措施和设施。采用变频控制后，在实际运行中，当某组逆变功率模块工作异常或故障时，可通过调整触发控制脉冲信号，使该组模块输出短路，将故障单元旁路退出系统。这种情况下，只是变频器降载运行。因此，可大幅减少设备的异常停机和系统频繁停、启现象。

6、网侧功率因数得到提高：采用高压变频调节系统后，电源侧的功率因数可提高到0.94以上，且不需无功补偿装置就可实现。若电机直接采用工频驱动时，即使采用无功补偿，其实际功率因数只有0.84。据每季度生产能耗统计结果计算，我厂3期煅烧回转窑每吨石油焦煅烧耗电平均减少74 KWh左右，每年单台回转窑生产节电27.6万KWh以上，减少电费开支9.7万余元；每年单台窑减少石油焦烧损530余吨，直接效益达210万余元。

7、噪声大大减小，改善运行人员的工作环境：采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现调节，烟道碟阀、风叶振动噪音大幅下降，改善设备操作人员工作环境和劳动强度。

五、结束语

应用 HIVERT-Y06/154高压变频器实现石油焦煅烧回转窑负压调节风机拖动系统，优化了回转窑煅烧生产过程，提高了其工艺控制性能和效果，在相同生产能力和工艺控制条件下，又大幅降低了风机运行电能消耗；据统计，由于该回转窑负压风机流量的准确、及时可调，在相同工艺和生产能力条件下，其煅烧回转窑天然气的消耗降低8.7m3t；煅后焦比电阻减小70—95μΩ/mm2；石油焦烧损率减少（即实收率提高）3.1%以上；负压调节风机电能消耗降低27.6万KWh/年以上，每年创造经济效益达到200余万元以上；其次实践证明，国产高压变频器控制技术、设计能力和制造产品质量均已十分成熟，可与进口同类产品抗衡，其价格只有同类进口产品的一半以下，具有备件易采购、维修迅速等益处，完全避免了进口变频器维修困难、备件采购难等问题。