变频器在焦化厂风机变频改造上的应用

一、概述
炼焦过程是炼焦煤在炭化室经过干燥脱水、软化熔融、半焦化和半焦收缩成焦等阶段。在200摄氏度以前，煤表面的水分、吸附在煤中的二氧化碳、甲烷等析出。随着进入软化熔融阶段，在此阶段中，煤大分子侧链断裂和分解，产生热解产物，在半焦形成和开始缩聚之前，热解产生的蒸汽和煤气，主要含有甲烷、一氧化碳、化合水及焦油蒸汽等。温度继续升高，析出的气体中氢和苯蒸汽的含量增加。在半焦至焦碳阶段中，随着焦质致密、缩聚，氢大量的产生。在炭化室炼焦的特定条件下，上述初次分解的产物，通过赤热的半焦及焦碳层到达炉墙边，然后沿着高温的炉墙与焦碳之间的空隙到达炉顶空间。
炭化室出来的荒煤气首先在桥管处被大量的循环氨水喷洒。在次过程中，热煤气与70～75摄示度的呈细雾状的氨水接触，高温煤气放出热量，使氨水雾滴迅速升温和汽化，结果，煤气温度降到80～85摄示度，未被汽化的氨水温度升高到75～78摄示度。煤气中的焦油气约为50～60%被冷却下来，部分焦油与煤尘和焦炭粒混在一起构成焦油渣。煤气经初冷器后温度可降至30摄示度，此时，轻质焦油和氨水就冷凝下来。炼焦炉出来的焦炉煤气经集气管、吸气管、初冷器、捕焦油器、回收氨和苯的系统等一系系列的设备，然后才能变成净煤气送给不同的用户，或送至贮罐。在这一过程中煤气要克服许多阻力才能达到用户的地点，为此，煤气应具有足够的压力。另外，为了使焦炉内的荒煤气按规定的压力制度抽出，要是煤气管线中具有一定的吸力，因此，必须在焦化工艺的流程中，选择合理的位置设置鼓风机，一般焦化厂鼓风机的位置选择在初冷器之后和捕焦油器之前，这是因为此时鼓风机的负荷较小，电捕焦油器处于正压状态下操作，比较安全。
二、现状
某焦化厂炼焦炉鼓冷系统有400kW离心风机两台，一用一备，安装在两台初冷器之前，即一台鼓风机同时对两台初冷器中的煤气进行抽取。工艺上要保证初冷器内维持120Pa正压，则鼓风机需要调速，原系统采用液力偶合器调速。另外，还要求两台初冷器内的正压相同，均为120Pa。原系统是在初冷器的出口处设置手动阀门用人工调节，在调节过程中，不仅要调节阀门的开度，还要同时调节液力偶合器的油压，以此调节风机的转速。阀门和转速都要调节，二者又有一定的偶合度，常常顾此失彼，很难达到工艺要求。另外，液力偶合器调速的稳定性较差及调速的不方便，而且效率低，为满足生产工艺的要求和节能，需要对其进行改造。
三、改造方案
为节能考虑，将液力偶合器调速改为变频调速。为控制两初冷气内的压力，采用压力闭环控制和电动阀结合控制，该方法是在1#初冷器和2#初冷器上安装两只压力变送器，变送器压力值代表初冷器内的压力值。以1#初冷器变送器的反馈值来控制变频器的输出频率，使其稳定在120Pa的压力上。但是1#初冷器和2#初冷器的出口风道是并联的，由于某些因素，1#初冷器和2#初冷器的压力值可能不相等，这时，由调节器送出的信号到2#初冷器电动调节阀，调节器阀门的开度，使1#初冷器和2#初冷器的压力值相等。但是电动阀的调节影响总压力值，2#初冷器出口处的压力变送器将检测到的压力信号送变频器，由变频器使风机电机升速或降速，维持工艺要求的压力值在120Pa。调节过程要经过几次的反复调节，无需人工介入，都是自动进行的。炼焦鼓冷系统控制示意图如图1所示：

图1 炼焦鼓冷系统控制示意图
四、液力偶合器
液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量并改变输出转速的，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载，这样，可以通过控制工作腔内的油压来控制输出轴的力矩，达到控制负载的转速的目地。因此液力偶合器也可以实现负载转速无级调节，在变频器未应用以前，液力偶合器不失为一种较为理想的交流电机调速方式。
液力偶合器从电动机输出轴取得机械能，通过液力变速后送入负载，其效率不可能为1；变频器从电网取的电能，通过逆变后送入电动机其效率也不可能是1。在全转速范围内，变频器的效率变化不大，变频器在输出低转速下降时效率仍然较高，例如：100%转速时效率97%，75%转速时效率大于95%，20%转速时效率大于90%；液力偶合器的效率基本上与转速成正比，随着输出转速的降低，效率基本上成正比下降。例如：100%转速时效率95%，75%转速时效率约72%，20%转速时效率约19%。液力偶合器用于风机、泵类负载，由于其轴功率与转速的三次方成正比，当转速下降时，虽然液力偶合器效率与转速成正比下降，但电动机综合轴功率还是随着转速的下降成二次方比例下降，因此在变频器取代液力耦合器调速时，计算节能时，电机轴功率与转速的一次方成正比。
五、改造方案的电气原理图和控制原理
1﹑变频器采用森兰SB61P400KW。考虑到电机是一用一备，为节省投资，两台风机电机共用一台变频器，当电机需要倒换时，仅改变电机外部的接线，变频器控制原理图如图2所示。PT为压力变送器，为四线式的压力变送器接线，还有两根电源线未画出。R为给定调节，也可以用操作面板给定。KM1﹑KM2控制那台电机运行。

图2 变频器控制原理图
因为液力耦合器的效率较低，改造时不需要保留，可将其拆除。留下的空位可装一台减速箱，减速箱的减速比的选择，根据工艺条件决定。即变频器输出频率50（60）Hz时，风机输出最大风量。为减少减速箱安装时的工作量，减速箱需认真选择。
2﹑压力变送器的安装：
压力变送器要正确的反映初冷器的压力值，安装位置值得研究，显然安装在初冷器上，即可。为简化控制，用一号初冷器压力变送器的信号反馈到变频器，由此控制一号初冷器的压力；二号初冷器的压力变送器的信号送到电动调节阀调节器上，控制阀门的开度，以平衡两初冷器的压力值。如图1所示。
六﹑节能
改造过程中，去掉了液力耦合器后换为一台5︰1的减速箱。生产运行时，变频器的输出频率在34Hz上下变动，计算节能效果如下：
400kW风机风量从100%降低到70%，由于流量与转速一次方成正比，因此转速可以降低70%，负载功率理论上降为34.3%，如果变频调速效率按0.95算，再考虑电动机效率在低功率时和管道系统效率有所下降， 电网总输入功率约：
400×（34.3%/0.95/0.85/0.95）=400 44.71%=178.84kW
如果采用液力偶合器，其效率按0.665计算，电网总输入功率为
400×（34.3%/0.665/0.85/0.95）=400 63.87%=255.12kW，
二者之差为节约的电能，即：
255.12-178.84=76.28kW
全年按300 日计算，年节电:
76.28 300 24=549216kWh。
据实际检测本系统节能在21.9%，不到一年可收回投资，取得了非常好的经济效益。