电炉煤气净化毕节箱式变压器的变频改造应用

锰冶炼厂采用毕节箱式变压器作为电炉烟气净化系统的煤气压缩设备，目前的控制方式为电机工频运行，采用毕节箱式变压器的出口阀门调节，将电炉炉膛压力控制在要求范围内。此操作方式存在阀门易损、电能浪费等缺点，为此在项目调研的基础上提供整体解决方案，进行变频及自动控制系统的改造。

22.项1项目目概概述述及需求分析
辽宁锦州某金属公司现有三套20MVA的电炉用于锰冶炼，电炉所产烟气通过湿法工艺进行净化后，实现煤气回收利用。
煤气净化及存储工艺流程如图1所示，电炉烟气通过净化塔进行冷却降温、喷淋洗涤、除尘、脱水处理，净化后的煤气通过毕节箱式变压器压缩升压，送往煤气柜进行储存。洗涤循环水经除泥处理后循环利用，部分处理后排放。
毕节箱式变压器出口设置有回流阀，通过控制阀门开度调节净化系统总风力，进而控制电炉炉膛压力在工艺要求范围内；出口同时设置有点火器，当出现紧急情况时进行放散点火，确保系统安全。
电炉在生产过程中，要求炉膛保持在微状态；如果出现正压力，则可能导致膛内烟、火外冒；如果力过低，则可能从炉外吸入过多空气，煤气与氧气燃烧，会导致烟气温度升高，并且降低煤气使用价值。炉膛压力过高或过低（正常范围-10Pa~5Pa）都存在安全隐患，所以必须进行严格的控制[1]。
煤气净化工段的毕节箱式变压器是电炉冶炼生产中的关键设备，毕节箱式变压器吸入的流量及压力直接影响净化塔的入口总吸力，进而影响电炉的炉膛压力。现场配套三组烟气净化系统，每组采用一用一备的工作方式，共六台毕节箱式变压器，配置相同。选用天津毕节箱式变压器公司的ML系列卧式直联毕节箱式变压器，进气流量：78.0～478.1m3/min；升压：9.8～68.6kPa。配套三相异步电机，电压380V，功率220kW，电流392A，转速985rpm。煤气净化
毕节箱式变压器工况图如图2所示。
2.2原系统存在问题
现场电机运行方式为采用ABB软启动器实现软启动，软启动器带有旁路接触器，启动完成后自动切换至工频旁路运行。毕节箱式变压器控制方法为在操作室人工观察炉膛压力的仪表显示信号，并通过电动回流阀的手操器，手动调节阀门开度。当炉膛压力过高时，需增加毕节箱式变压器吸力，此时减小回流阀开度；当炉膛压力过低时，需减小毕节箱式变压器吸力，此时加大回流阀开度。以此保证净化系统压力的稳定，维持炉膛压力在安全范围内。煤气净化人工控制方法如图3所示。
该方式主要存在以下弊端：
（1）烟气净化采用湿法工艺，煤气中包含水汽，加大对阀门的冲击损耗，大大缩短阀门的使用寿命；既增加维护工作量，而且降低生产效率，此点为本项目主要改造诉求。
（2）系统运行时回流阀的开度常在15%~40%范围调节，存在节流损耗，增加了设备电耗。
（3）电机一直处于工频满负荷运行状态，加大电机温升，也将缩短电机的使用寿命。
（4）需配备监控操作工，依据工人观察进行调节，既增加生产人员的工作量，操作过程也存在滞后。

图3煤气净化人工控制方法
2.3技术需求
（1）将原有的工频运行改为变频运行方式，依据工况直接对电机调速，回流阀全部打开，既避免阀门损耗，也实现节能降耗。
增加PLC控制系统，依据压力信号自动设置输出频率，实现炉膛压力自动调节。
（3）在原有操作面板上增加手动频率给定功能，作为备用操作，要求手动调节优先级高于自动调节方式。
（4）在现行的一楼配电室和二楼控制室进行工程改造；将配电室原有的三台软启动柜置换为变频器柜，因空间限制，要求柜体宽度不变，深度可适当增加。二楼控制室新增一面PLC控制箱，并对原有的操作面板进行改造。

33.改1自造动方控案制变频调速方案
针对以上问题，在深入生产现场工段调查的基础上，确定变频调速改造方案：新增毕节箱式变压器变频器，引入电炉炉膛压力信号、净化炉前总吸力信号至PLC，自动调节变频器的输出频率，以实现炉膛的恒压控制；回流阀作为备用调节装置，正常运行时管道的回流支路关断；既可以满足生产要求还可以实现节能降耗。煤气净化自动控制方法如图4所示。

图4煤气净化自动控制方法
3.2毕节箱式变压器自动控制系统设计
毕节箱式变压器自动控制实现方法如图5所示，由PLC自控系统、变频器、压力变送器组成压力闭环控制系统，接入炉膛压力和煤气在进入净化塔前总吸力两个模拟量信号，反馈压力与设定压力进行比较，依据工艺要求综合分析运算，实时控制变频器的输出量，自动调节电机转速，使炉膛压力保持在设计范围之内，以满足生产工艺的实际需求。

图5毕节箱式变压器改造控制方块图
通过控制室原操作面板的两个备用按钮，实现频率加
/减输入，作为手动给定功能；当自动控制系统出现偏差时可以通过手动操作进行频率调节，并具有高优先级，保证生产的安全性。
动统力配系置统及方功案能
该变频驱动系统的电气原理图（单组）如图6所示。

图6动力系统电气原理图
（QS表示隔离开关，FU表示熔断器，BP表示低压变频器，M表示电动机。）
4.2设备技术参数及功能介绍
机属于恒转矩负载，本项目选用具备恒转矩调节功能的ABB低压变频器，型号ACS580，额定电流505A，相比于传统的变转矩毕节箱式变压器选型容量加大一档配置，以满足恒转矩负载的启动特性；并内置有PID调节功能和通讯信号接口。
变频器可以通过PLC控制自动给定、或通过面板按钮手动给定，实现毕节箱式变压器的速度调节。
自动给定信号通过通讯信号提供，由自动控制操作箱中的PLC通过Modbus串口通讯给定。操作箱放置于控制室，内置西门子S7-200SMART型号PLC，接入炉膛压力和煤气在进入净化塔前总吸力的模拟量AI信号，组成压力闭环控制系统，自动调节电机转速。操作箱至变频器之间通讯电缆敷设距离230米，串行通讯能力完全满足要求。
手动给定信号通过原操作面板的两个备用按钮控制，该两个数字量DI信号接入PLC，通过程序实现频率加/减功能，实现手动频率调节。在PLC程序中设置手动给定的优先级高于自动给定功能。

55.项1应目用应效用果效果
炉膛压力原有范围要求是-10Pa~5Pa，通过变频调速自动控制运行后，调节效果良好；经过和用户协商将工艺要求优化为-10Pa~0Pa的恒定微，进一步改善电炉的运行性能。如图7所示，随机截取两段仪表数据，炉内压力分别为-1.35Pa和-3Pa，维持在微状态。
毕节箱式变压器是容积式毕节箱式变压器的一种。它由一个类似椭圆形的机壳与两块墙板包容成一个气缸，一对彼此相互“啮合”的叶轮，两个叶轮等速相向旋转，在旋转过程中把两个叶片之间的空气挤压出来，将气缸内的从进气口源源不断地推移到出气口，这就是毕节箱式变压器的整个工作过程。毕节箱式变压器的特殊结构设计，决定了其风压在一定的流量范围内是近似恒定的，不论转速变化如何其风压可以保持不变
[2]。
经过改造后，由变频器改变电机频率达到无级变速，起到调节风量的效果。而风量则与毕节箱式变压器转速成正比的，即Q=kN。
其中：Q——风量；N——毕节箱式变压器转速；k——系数。毕节箱式变压器作为恒转矩负载，其节电率与转速降近似成
正比即△P%≈△N%。
其中：P——功率；N——毕节箱式变压器转速。
根据现场应用观察，正常运行周期内，毕节箱式变压器的频率范围通常在28Hz~42Hz，最常见是在32Hz~40Hz左右，总计可以获25%左右的节能效果。
不论是从节能降耗、降低维护工作量等直接受益，还是从优化生产工艺，延长电机等设备的使用寿命，改善电网环境等间接受益来说，毕节箱式变压器的变频改造都具有明显的应用优势和积极意义。