ABB ACS1000高壓變頻器在石化廠富氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用
一、 前言
隨著電力電子技術(shù)與變流技術(shù)的發(fā)展,高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用,特別是高壓變頻用于拖動(dòng)大功率風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備時(shí)節(jié)能效果顯著,經(jīng)濟(jì)效益可觀。石化廠焦化車(chē)間催化裂化裝置富氣壓縮機(jī)是該裝置的關(guān)鍵設(shè)備,因工藝要求需要調(diào)速,傳統(tǒng)的調(diào)速方式采用透平機(jī),占地面積大,效率低,隨著高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,高壓變頻器已得到了廣泛的應(yīng)用。焦化富氣在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,分子量變化大,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高,最高轉(zhuǎn)速達(dá)12000轉(zhuǎn)/分鐘以上,對(duì)變頻器動(dòng)態(tài)性能要求高,針對(duì)武漢石化焦化車(chē)間催化裂化裝置富氣壓縮機(jī),我們經(jīng)綜合考查,考慮到當(dāng)前最先進(jìn)高壓變頻器的已投運(yùn)使用情況、性價(jià)比、電機(jī)適應(yīng)能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、體積、冷卻方式、輸入輸出波形情況、噪音指標(biāo)等因素,最終在此項(xiàng)目中選擇了ABB 公司的ACS1000系列12脈沖水冷型直接轉(zhuǎn)矩控制高壓變頻器。
二、 ACS1000的主要特點(diǎn)
世界電氣巨子ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列高壓變頻器屬直接高-高型高壓變頻器,功率范圍315KW——5000KW,輸出電壓等級(jí)有2.3,3.3,4.16KV,當(dāng)接6KV電壓等級(jí)電機(jī)時(shí),需將電機(jī)改成三角形接法。3.3KV電壓等級(jí)的變頻器,容量在2150KVA及以下的變頻器采用風(fēng)冷,容量在2150KVA及以上的變頻器采用水冷。
圖一
ACS1000高壓變頻器對(duì)電機(jī)和電機(jī)電纜無(wú)特殊要求,也無(wú)需電機(jī)降容使用,完全適用國(guó)產(chǎn)電機(jī);ACS1000高壓變頻器元件少,結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單;ACS1000采用了功率器件IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor 集成門(mén)換流晶閘管),IGCT快速、均衡換流,內(nèi)在低損耗, ACS1000是電壓源型變頻器,直接采用IGCT高壓功率器件,與其它拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的變頻器相比,大大減少了功率器件數(shù)量,主回路原理圖如圖一所示,結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,效率更高,可靠性也高了許多。
ACS1000的直流回路采用IGCT代替熔斷器作為變頻器主回路的保護(hù),IGCT分?jǐn)鄷r(shí)間是25μs,比傳統(tǒng)的熔斷器快1000倍,大大提高了關(guān)斷速度,從而提高保護(hù)的可靠性。IGCT 還具有以下優(yōu)點(diǎn):
① 續(xù)流二極管集成在同一芯片上 ② 不需緩沖電路 ③控制門(mén)電路與功率元件集成于一體 ④可靠性極高(元件總數(shù)少) ⑤ 功率密度高(元件總數(shù)少而且損耗低)
ACS1000采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù), 不需要在電機(jī)軸上安裝脈沖編碼器而具有精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制,DTC能在零轉(zhuǎn)速時(shí)輸出滿轉(zhuǎn)矩。在DTC中,定子磁通和轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量,通過(guò)高速的數(shù)字信號(hào)處理器,將電機(jī)運(yùn)行實(shí)際值與參考值不斷的進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器中的每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分別確定,這樣傳動(dòng)裝置始終處于最佳開(kāi)關(guān)組合,從而對(duì)負(fù)載突變或電源干擾所引起的動(dòng)態(tài)變化作出快速的響應(yīng)。
三、 系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)
如圖二所示,變頻調(diào)速系統(tǒng)由工/變頻高壓進(jìn)線柜、12脈沖隔離變壓器、ACS1013-W1-T0高壓變頻器、高壓切換柜、PLC控制箱和國(guó)產(chǎn)2200KW電機(jī)構(gòu)成。
1、工頻進(jìn)線高壓柜作為變頻回路故障狀態(tài)下保證電機(jī)和壓縮機(jī)運(yùn)行的后備保證,正常情況下由變頻進(jìn)線柜向變頻器供電,變頻器進(jìn)線高壓柜必須由變頻器控制其分合閘。
2、12脈沖隔離變壓器由國(guó)內(nèi)生產(chǎn),變壓器有2個(gè)次級(jí)繞組,一個(gè)為Y接法,一個(gè)為Δ接法,兩繞組同相間有30。相位差。采用了12脈沖隔離變壓器的ACS1000變頻器已滿足了IEEE519-1992和UK G.5/3中對(duì)電壓和電流諧波的要求。
3、高壓切換柜是配合電機(jī)工/變頻切換之用,當(dāng)高壓真空接觸器KM2、 KM3閉合時(shí),電機(jī)為Δ接法,此時(shí)電機(jī)額定電壓3.465KV,當(dāng)要求電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí),高壓真空接觸器KM1、KM4閉合,電機(jī)連接到電網(wǎng),直接通過(guò)工頻進(jìn)線柜由工頻直接啟動(dòng)。
4、PLC控制箱主要負(fù)責(zé)各邏輯連鎖以及與壓縮機(jī)DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊。當(dāng)變頻器就緒和工頻進(jìn)線合閘后,若DCS系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組啟動(dòng)信號(hào),則高壓切換柜KM2、KM3合閘,切換柜自動(dòng)投入變頻運(yùn)行方式,機(jī)組自動(dòng)優(yōu)先啟動(dòng)變頻器運(yùn)行。變頻調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制,由壓縮機(jī)DCS控制系統(tǒng)輸出速度給定值(4~20mA)給變頻器,由變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)平滑啟動(dòng),同時(shí)變頻器輸出電機(jī)的運(yùn)行/停止、故障、運(yùn)行、電機(jī)電流、功率、水溫等信號(hào)給DCS系統(tǒng)。 當(dāng)變頻進(jìn)線高壓柜處于分閘位置或變頻器故障時(shí),若DCS系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組啟動(dòng)信號(hào),則高壓柜KM1、KM4合閘,切換柜自動(dòng)投入工頻運(yùn)行方式,機(jī)組進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。PLC輸出機(jī)組工頻運(yùn)行等信號(hào)給DCS系統(tǒng)。
5、水冷系統(tǒng):變頻器標(biāo)準(zhǔn)配置采用水冷方式,比較風(fēng)冷方式的變頻器而言,水冷型變頻器具有以下優(yōu)點(diǎn):
①水冷系統(tǒng)可保證整個(gè)系統(tǒng)工作在最佳溫度點(diǎn),而風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境波動(dòng)敏感,不易保持在最佳工作點(diǎn)。對(duì)于電子控制系統(tǒng),工作在最佳溫度點(diǎn)意味著高可靠性和最長(zhǎng)的使用壽命。
②水冷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求低,而空冷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求高,變頻系統(tǒng)最佳工作點(diǎn)在0~40℃,2200KW變頻器的效率為98%也即意味著有44KW的熱量需要散發(fā),風(fēng)冷系統(tǒng)將此44KW的熱量排走需用一大容量的空調(diào)設(shè)備,投資大,長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用高。
③風(fēng)冷系統(tǒng)靠外風(fēng)循環(huán),對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求嚴(yán)格,灰塵很容易在高壓變頻器內(nèi)元器件和過(guò)濾網(wǎng)上集結(jié),容易造成故障, 也勢(shì)必增加設(shè)備維護(hù)量。
④水冷系統(tǒng)不需要大功率的冷卻風(fēng)機(jī),因此噪音小,而空冷系統(tǒng)噪音大。
⑤由于ACS1000對(duì)外循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)要求不高,可充分利用石化廠生產(chǎn)裝置循環(huán)冷卻水,無(wú)需額外投資。
ACS1000水冷系統(tǒng)分冷卻水和循環(huán)水,冷卻水和循環(huán)水是分離的兩回路,冷卻水將變頻器功率器件產(chǎn)生的熱量與外部循環(huán)水通過(guò)熱交換器的熱交換將變頻器產(chǎn)生的熱量帶走,變頻器在輔助電源上電后自動(dòng)檢測(cè)冷卻水電導(dǎo)率,當(dāng)電導(dǎo)率超過(guò)變頻器設(shè)定的電導(dǎo)率指標(biāo)時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)水冷系統(tǒng)除離子設(shè)備工作。
6、變頻節(jié)能與防喘振協(xié)調(diào)控制:具有駝峰型特性的大容量壓縮機(jī)的喘震問(wèn)題是系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要問(wèn)題,變頻器正常工作時(shí),系統(tǒng)通過(guò)變頻調(diào)速與防喘振的協(xié)調(diào)控制,盡可能減少氣體回流量,同時(shí)確保流量大于安全操作線流量(如圖三所示),使系統(tǒng)不發(fā)生喘震現(xiàn)象,做到良好的節(jié)能與防喘振協(xié)調(diào)控制效果。
圖中P2/P1為壓縮機(jī)出口絕壓與入口絕壓之比,Q為壓縮機(jī)流量。
四、 系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)
1、 系統(tǒng)常規(guī)檢查:ACS1000高壓變頻器因在出廠前做了嚴(yán)格的空載和帶載測(cè)試,使得在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試上電前的檢查工作非常簡(jiǎn)單,通常的檢查工作有外觀和外部線路連接檢查、邏輯檢查、IGCT檢查、變頻器整體對(duì)地直流耐壓試驗(yàn)等。
2、 變頻器上電:上電后變頻器自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和內(nèi)部循環(huán)水除離子回路工作,內(nèi)循環(huán)水的電導(dǎo)率是變頻器允許MCB合閘的條件之一,
3、 作為常規(guī)調(diào)試的一部分,電動(dòng)機(jī)要進(jìn)行ID辨識(shí)運(yùn)行。將電動(dòng)機(jī)銘牌上的電動(dòng)機(jī)基本數(shù)據(jù)輸入到變頻器之后,以手動(dòng)方式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)ID辨識(shí)運(yùn)行。ID運(yùn)行一旦開(kāi)始,整個(gè)識(shí)別運(yùn)行將全自動(dòng)進(jìn)行。在ID辨識(shí)運(yùn)行期間,變頻器通過(guò)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)對(duì)所施加的電源的響應(yīng)建立精確的電動(dòng)機(jī)模型,DTC控制器就是利用在個(gè)模型精確地?cái)U(kuò)展變頻器和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。 整個(gè)ID辨識(shí)識(shí)別運(yùn)行大約需要2分鐘。 電動(dòng)機(jī)可以在帶負(fù)載的情況下作ID辨識(shí)識(shí)別運(yùn)行;但為了取得最佳的效果,須將負(fù)載脫離。
4、 空載和帶載運(yùn)行:由于該變頻器是電壓型變頻器,與電流型變頻器相比,無(wú)需對(duì)不同負(fù)載條件下的變頻器參數(shù)反復(fù)調(diào)整,調(diào)試也顯簡(jiǎn)單,在實(shí)際帶電運(yùn)行調(diào)試時(shí),先空負(fù)荷運(yùn)行,然后帶負(fù)荷運(yùn)行并調(diào)整相關(guān)參數(shù)至最佳值即可. 在調(diào)試過(guò)程中,我們用裝有DR
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