英威腾CHH100系列压变频器调速系统在硫酸生产线上运用
摘 要：探讨高压变频调速系统在硫酸工业主风机改造及应用，可能出现的问题。使用后的节能效果和控制操作分析。
关键词: 高压变频器 主风机 改造和应用
一.企业介绍
三明鑫隆化工有限公司成立于2004年12月22日，是通过收购股权，扩大投资资金，组成新的股份制企业，注册资金2000万元。公司地处三明市梅列区陈大镇台溪村，占地面积40亩，距市区及火车站10公里，离三泉高速公路入口处仅7公里，交通便利，环境优美。公司办事处设在三明市梅列区东新三路梅列建行六楼。形成以硫化锌为原料的制酸生产系统，年产硫酸6万吨，氧化锌3.6万吨的生产规模。现有员工110人。
二.厂家工艺流程及现状
我国用于硫酸工业中的鼓风机，最早在50年代应用于冶炼烟气制酸工艺流程，由于硫酸工业80年代开始得到迅速发展,硫铁矿制酸、硫磺制酸等制酸工艺不断发展，从而硫酸工业中的鼓风机需求形式也不断变化，由过去的以防腐为主,转变为追求高效率。离心鼓风机在硫酸工业中的各种工艺流程中输送着不同的气体，在冶炼烟气制酸工艺流程中输送含6～8%SO2的烟气，在硫磺、硫铁矿、磷石膏制酸工艺流程中输送空气和SO2气体。
硫磺制酸与矿制酸和冶炼烟气制酸不同，进入主鼓风机的介质是空气而不是含二氧化硫气体，因此有条件将主鼓风机放在干燥塔之前（即风机处于干燥塔上游），从而对硫磺制酸来说，有风机在塔前、塔后之分。
风机在干燥塔前、塔后，各有优缺点。风机在干燥塔塔后，进入风机的空气已经干燥塔的干燥处理和洗涤除尘了，进入风机的空气是干燥无尘的，但对应于干燥塔塔顶除雾器的除雾效率，塔后流程进入风机的干燥空气中含微量98%酸雾，与矿制酸与冶炼烟气制酸不同的是，该酸雾酸浓高，腐蚀性相对减小，并且酸雾量也会少的多。
风机在干燥塔之后，主要是利用风机的压缩热，这部分热量带入焚硫转化工段的废热锅炉产生蒸汽，而当风机在干燥塔之前，风机压缩热则需用循环水冷却移走。
三明鑫隆化工有限公司有6万吨硫酸生产线的硫酸鼓风机系统采用630kW/10kV电动机拖动的离心鼓风机，为改善运行工艺,以前都是采用调节风门的大小来调节风量，这种方法费时费力也不好掌握，风门在一个位置时间长了，由于风力的作用容易造成风门的局部变形，在下次操作中就有可能会出现卡滞现象对安全生产造成威胁,再有就是浪费大量电能,项目现场不仅粉尘较多并且含有大量的SO2气体，对设备的防尘、防腐蚀提出了特殊要求；风机要求较大的启动转矩，在调节气体输送量时需要保持风机出口的压力，设备要求具有更高的启动性能等等；并且由于用户硫酸鼓风机转动惯性非常小，所以用户要求高压变频器变频运行与水阻柜工频运行之间的相互切换必需非常迅速，要求6秒内可以完成由工频转变频或变频转工频的相互切换，对变频器的性能尤其是无冲击启动高速旋转的电机提出了更高要求。
三.系统技术方案研究与选型
经过对全国各高压变频生产企业进行现场调研分析后，最后决定采用采用了一套深圳英威腾电气股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的CHH100系列10kV/630kW高压变频器调速装置。通过双方技术人员的合作，共同制定了风机的变频改造方案，改造方案如下：
1.变频调速技术在硫酸鼓风机系统中应用后，主要体现了以下几个特点：
(1.1)以前电气和阀门等控制方式都应继续保留，以便在风机系统在任何情况下都能运行。
(1.2)根据以往工程应用情况，现场的风机设备在正常调节过程，我公司CHH100系列变频器都能满足升降速调节的时间要求，可以不用单独配置制动单元。
(1.3)硫酸鼓风机系统设备功耗随硫酸浓度生产工艺变化负荷运行，提高了系统效率；实现了硫酸鼓风机系统的最佳工况运行。取得显著的节能效果。
(1.4) 大大有效降低了硫酸鼓风机系统负荷率，延长了硫酸鼓风机系统等设备的使用寿命。
2.变频器配置
根据现场的额定参数和实际运行工况,再结合我公司的CHH100系列高压变频器在其它工程地应用情况，我公司为其配置如下变频器，其主要地参数如下：
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序号
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变频器项目
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参数
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1
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变频器型号
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CHH100-0630-10
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2
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额定容量
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800kVA
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3
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额定电压
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10kV
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5
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额定电流
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46A
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6
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控制方式
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一拖一自动切换
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7
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变频器数量
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1台
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3.变频系统切换旁路方案
根据现场的额定参数和实际运行工况，再结合我公司的CHH100系列高压变频器在其它工程应用情况,我方提供的CHH100变频器的切换系统采用一拖一自动控制方案，变频器具有转速跟踪功能，其一次系统如下图所示：
变频调速系统由用户开关柜、水阻起动柜、进线柜、CHH100系列高压变频器、高压电机组成。进线柜是由二个真空接触器KM1、KM2和两个高压隔离开关QS1、QS2组成。QS1、QS2用于变频器维护过程中高压隔离。电机以变频方式运行时，QS1、QS2和KM1、KM2闭合，水阻起动柜不工作。电机以工频方式运行时，QS1、QS2和KM1、KM2断开，水阻起动柜工作。进线柜与和水阻起动柜互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。
n 自动旁路方案优点：
² 根据系统工艺地要求，能够快速地进行变频与工频的切换，确保系统的安全运行。
² 该切换控制有两种起动方式,不论那种方式起动运行,都具有软起动功能,不造成对电网冲击.
² 变频器输入、输出设计有隔离刀闸，便于变频器的维护与检修。
² 操作方便，可以就地操作，也可远程操作，易于实现自动控制。
4. 变频器控制方式
在系统管道入口气体上安装检测硫酸浓度和温度的传感器，将传感器4-20mA的标准信号反馈到远程监控室DCS系统,与硫酸浓度和温度调节设值和比较, 经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制风机的转速，从而调节干燥塔入口的补充空气量.
5．英威腾CHH系列高压变频器技术特点
我公司是深圳市英威腾电气股份有限公司，是一家以高压变频器为主导产品，集研发、制造、销售为一体的专业制造厂家，拥有自主知识产权、技术研发和生产制造基地；产品涵盖高、中、低压系列，覆盖高、中、低端市场，是目前国内产品线最为齐全的变频器企业；国内变频器行业的实力品牌和领先品牌.在产品方面有独特的优势，下面产品的技术优势做详细介绍：
(1) DSP控制技术——功能更强大、控制更精准、调速范围更宽
CHH100系列高压变频器主控系统采用DSP＋FPGA巧妙配合，具有300多个功能码，强大的功能包括节能模式、多种运行模式、多种启动方式、集成PID功能、完善的保护功能等等，可以对启动特性、运行模式等功能根据现场工况进行不同设定。在高性能控制器硬件平台上，结合先进的控制技术，完全能够满足低频（10Hz以下）稳定运行，实现低速大转矩负载启动和运行，将异步电机的控制性能提高到一个新的高度。
(2)模块化的结构方式，9级或6级单元串联——电压和电流余量更大
CHH100系列高压变频器为电压源型、高-高结构变频器，为单元串联多电平拓扑结构，高压大功率变频器是由多个功率模块串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出，其谐波指标满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。器件的选择以安全、可靠、使用寿命长为首要设计原则，采用1700V高压IGBT，输出的变频器采用的是9级或6级模块串联方式，功率器件的电压余量和电流余量都在1.1倍以上， 器件参数余量大，可靠性较高。
(3)全面的保护功能——变频器系统保护和功率单元保护完善
CHH100系列变频器的功率单元自身就有多达11种的故障保护；主控系统采用DSP＋FPGA巧妙配合，电气部分对输出电压、输出电流、输入电压、输入电流都有全面检测，对变频器电源及电机都有过压、过流、过载、欠压、温度等具有多达二十几种超强综合保护功能，并且重要的保护定值可以根据现场不同的工况进行参数设定，完全能够保证电源及电机的安全运行。
(4)电机转速自动跟踪启动功能——满足不同的负载特性
CHH100系列高压变频器有多种启动方式：1) 直接启动；2) 先直流制动再启动(对于风机类可能由负载带动反转场合，可以先通过直流制动把电机刹住车再启动，从而避免启动时产生巨大的冲击电流)；3) 转速追踪启动。变频调速系统首先追踪电机的当前转速，然后在当前电机的转速的基础上直接启动。
为了适应现场负载电机旋转时启动，CHH100系列高压变频器可以选择旋转中再启动功能。在启动旋转中的电机时，变频器可自动搜索跟踪电动机转速按照设定加减速时间恢复正常运行状态（即转速跟踪技术），可确保电机在调速范围内的任何转速下，无需停车即可直接无冲击启动CHH100系列高压变频调速系统，不用顾虑电机的运行状态，可以实现高压电机即时的启动和停止控制，保证机组安全启动。为确保现场操作的灵活性，完全可以根据现场需要进行功能码设置，选择相应的启动方式。
(5)停电来电自动启动功能——满足电网跌落和母线切换要求
CHH100系列高压变频器在主电源母线切换过程中，变频器能够自动跟踪电机的转速，当主电源恢复后变频器自动运行起来，保证了机组安全可靠运行。为了适应国内电网波动大，现场主动力电源母线段切换的要求，变频器设计有高压停电来电自启动功能，在现场主动力电源母线段切换过程中，系统自动识别网侧电压变化，系统保护不停机；待电网电压恢复后，自动启动设备运行至给定频率值，满足现场对设备的高可靠性要求。是否选择自启动有效及自启动的时间都可以通过功能码进行设置。
(6)超强的电网适应能力——电压范围宽、多种控制电源供电方式
CHH100系列高压变频器对电网电压在+10%～-15%范围内波动，变频器能满载输出；电网电压短时（30秒）下降至额定电压的65％时，可继续降额运行，不进行保护。
为了提高控制电源的可靠性，满足现场控制电源多样性的要求，CHH100系列高压变频系统控制电源可接收AC220V，且可以同时接受双路交流220V电源，互为备用，采用双电源自动转换开关，实现无扰切换，确保控制电源的稳定。除此之外还可以根据现场情况选择外供控制电源与内部自身转化的控制电源进行切换，可以确保变频器运行后，控制电源掉电不影响变频器的运行。
外供交流和内部控制电源都出现问题时，变频器还可以无扰动切换到自备UPS供电，变频器可以继续运行，做到控制电源丢失时（比如维修人员误拉低压电、开关跳闸、熔丝熔断等），仍然保证变频器和辅机设备的运行安全。
(7)功率模块旁路技术——可选择手动旁路和自动旁路
模块旁路技术提高了系统的稳定性，CHH100系列高压变频器采用功率模块旁路技术，可在1ms内旁路故障模块，变频器降额并可长期运行，等适当时候停机处理。在现场应用过程中，根据现场情况，可以选择手动旁路方式，在现场功率单元有异常时，可以手动设定该功率单元旁路，重新启动变频器，不影响正常生产。
CHH100系列高压变频器功率单元设计有一级单元的冗余量，单元旁路后，系统自动检测输出电压，可以自动调节输出电压波形，使输出电压达到额定电压，输出功率达到额定功率。
(8)多种接口方式——硬接线和通讯方式
CHH100系列高压变频器具有多种接口方式，可以根据现场的情况选择硬接线方式和通讯方式，变频器内部不需要做修改即可满足现场接口的需要。采用硬接线时，用户端子都是可编程端子，每个端子的功能都可以使用功能码进行设定。接口端字可以根据用户的需要监视的信号进行设定和扩展，完全能够满足招标方的控制和监视要求。
我方提供的CHH100系列变频装置配置标准的工业通讯接口，采用标准的RS485通讯接口，产品支持Modbus现场总线，可以和现场自动化控制系统实现实时数据交换功能真正实现远程监控功能。
(9)全面的参数记录——运行查看及故障查询
CHH100系列高压变频器显示多项运行参数过过程变量，包括每个模块的温度、母线电压都有检测与显示。具有故障、事故显示、记录功能，具有自诊断功能，所在信息可以通过通讯上传至DCS系统。变频器出现异常时对变频器的状态（变频器的运行频率、输出电压、输出电流、单元的温度及单元的电压等）都有全面的记录，以便现场人员更准确、更快捷地解决问题。
(10)最简洁操作、最快捷维护
CHH100系列高压变频器具有人性化的接口设计、界面简洁清晰，选用中文人机界面，是一套以低功耗CPU为核心的高性能一体化机。方便可靠的防滑薄膜键盘，以及具有无噪音、无运动部件、大容量数据存储、使用寿命长的特点，同时该人机界面复位重启迅速、并带有死机自复位的功能。
同时系统界面功能强大，产品支撑软件为汉化的最新的正版软件，软件完全自主开发，标准化设计；界面显示内容丰富且直观形象，能够显示系统状态变量的实时显示和监控，如具有故障信息查询、运行数据记录、变频器参数查询及设置、系统自诊断等等。
(11)其它的特殊功能：
n 过流、过压抑制技术
CHH100系列高压变频器对输入电压、输入电流和输出电压、输出电流都有检测，同时在控制方面采用独特的过压和过流抑制技术，检测到电压、电流超过一定系数时，系统提前调整，使电压、电流恢复到正常的范围内，该技术特别适用与电压、电流波动比较大的水泥行业的高温风机及其它行业的除尘风机，能够避免塌料和粉尘增多、突然打开阀门引起的过压及过流停机，增强了变频系统的可靠性。
n 节能运行模式
CHH100系列高压变频器具有节能模式运行，根据负载的变化，采用智能微电脑技术，自动调节变频器的输出电压、电流，达到最节电的方式运行。
n 低频电流震荡抑制技术
CHH100系列高压变频器对电流智能控制，采用低频时电流震荡抑制技术，确保变频器在低频时稳定运行。
n 多种频率设定方式
CHH100系列高压变频器有多种频率设定方式：
(1).LED 键盘给定通讯给定 (2).模拟信号输入给定 (3).高速脉冲给定
(3).PID控制调节给定：通过PID给定与反馈的比较，自动调节频率，在恒压供水系统上应用尤其方便。
(4).多段速给定：变频调速系统可以设置多个频率段，以及加减速时间，由端子灵活的选择在这些频率段时间切换。
同时为了运行频率控制更加灵活，CHH系列变频器支持两个频率源，实际运行频率可以取这两个频率源的任意一个，或者对两个频率源进行和、差，以及最大值组合。
用户除了使用频率源控制频率以外，还可以通过up/down按键或者数字量端子灵活的对运行频率进行增加、减小的微调。
n 多种特性曲线方式
有些负载(比如风机、水泵)都不是恒转矩负载(风机水泵的转矩与速度的二次方成正比)。为了适应这种变转矩的负载特性，CHH系列高压调速系统提供了多点V/F曲线，1.3次幂、1.7次幂、2.0次幂V/F曲线可供选择。
并且在可以在V/F的启动低频段进行电压提升，满足现场实际的调速需求。
n AVR功能
CHH100系列高压变频器具有输出电压自动调节功能，由于我方提供的高压变频器有一级功率模块的富裕量，高压变频调速系统可以根据母线电压的波动自动调节输出PWM信号的占空比，从而减轻电网电压波动对于输出电压波动的影响。在母线电压波动情况和功率模块旁路的情况可以自动调解输出电压，保证输出电压的稳定，使电机不受系统电压波动影响。
四、节能分析
1.经济效益
根据生产情况，风机运行38HZ左右就能满足了生产工艺要求；运行转速在额定转速的75%左右。该项目的最大意义是解决工艺上风机运行温度问题，上表列出的改造后硫酸鼓风机的进风口、出风口温度下降明显6～8℃，风机油温与轴温下降7～14℃。
为了对硫酸鼓风机系统变频改造后的效果进行评价，在系统投入正常运行一个月后对设备实际使用和节电情况进行了测定和数据分析。
随机抽取2个正常生产日，将系统切换至工频运行系统采用挡板控制调节风量。现场通过测量仪表进行测量数据如下表:
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调节方式
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输入电流
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输入电压
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输入功率因数
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运行功率
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日耗电量
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阀门调节
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33.56 A
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9970V
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0.74
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428.84 KW
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10292.19 度
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变频调节
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17.46 A
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9972V
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0.97
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292.51 KW
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7020.32 度
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测试结果表明,
630KW/10KV硫酸鼓风机在阀门调节和变频调节的节能比较如下表:
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名称
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数据
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节电率
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31.79%
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日节能电量
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3271.87 度
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年节能电量
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101.42万度
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年度节电效益
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43.61万元
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通过对上表原始数据可以得出：硫酸鼓风机在变频改造后较改造前，电耗降低了136.33kW·h。设备节电率高达31.79%，节能效果显著。
本次硫酸鼓风机配套用CHH100T系列高压变频调速系统改造成功后，由于实现了频率的远方调节和状态监控，产品运行可靠、稳定，大大地改善了工艺.
2.其他效益
u 由于采用变频控制，可对风量进行精确控制，而且与阀门控制相比更直观、方便调节风机风量来满足生产需要；
u 由于采用了变频技术，电机实现软启动，不存在启动电流冲击；减少了风机出口压力瞬间提高对风机的冲击，从而延长了风机和其他设备的使用寿命;
u 由于风机转速降为原来的75％，大大减少了风机管道振动频率和噪声，延长风机、电机轴承的机械寿命；
u 由于旁通阀门几乎不操作，减少了风道的振动与磨损腐蚀，提高了机械寿命，SO2 温度降低后对风道和管路阀门的腐蚀作用减小。
五.结束语
可见，投入一台深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器后，该设备全年节约电费均可达43.61万元左右。另外，由于深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器功率因数可达0.95以上，大于电机功率因数0.89，减少大量无功。并且实现电机软启动，可避免因大电流启动冲击造成对电机绝缘的影响，减少电机维护量，节约检修维护费用，同时电机寿命大幅度延长。减轻了运行人员的劳动强度，深受运行人员和维修人员的欢迎。除尘风机经变频器改造后，节能效果显著，达到设计要求，该系列变频器的先进性、可靠性已得到许多工业应用的证实。
参考文献：
[1] 风机水泵节能改造指南 (国家经济贸易委员会资源节能综合利用司编).
[2] 交流电动机变频调速节能技术指南 (国家经济贸易委员会节能信息传播中心编).
[3]《CHH100系列使用说明书》
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