高压变频器在尾气制酸行业的应用

引言

吐鲁番工企矿冶有限公司铜冶炼厂，是新疆维吾尔自治区吐鲁番地区较大的国有企业，由于国家对铜冶炼尾气处理的要求越来越高，公司领导在综合考虑各方面的因素后，认为单纯处理尾气，还不如变废为宝，将尾气净化处理后，将其中的SO2转变成硫酸，这样即处理了尾气，达到国家尾气排放标准，又派生出新产品硫酸，可以获得新的经济效益，一举两得，是这次设备改造及尾气处理的双重收益。

1项目概况

1.1项目名称：9万吨/年烟气制酸

9万吨/年烟气制酸项目是将冶炼厂排放的烟气，通过净化处理后，采用国内外先进成熟的冶炼烟气制酸技术和设备，使原先超标排放的SO2烟气得以回收利用，生产出符合市场需求的优质工业硫酸，从而尾气达标排放。

项目严格执行国家有关方针政策和各项设计规程、规范，系统优化设计，采用美国孟山都公司动力波洗涤器和托普掌公司生产的触煤等国内外先进可靠的核心技术和设备，全厂采用DCS集中控制系统，项目完成后，系统整体技术设备达到国内外先进水平。

1.2项目建设规模：制酸规模和冶炼规模相配套，设计规模为9万吨/年。

1.3投资及收益

项目计划总投资7000万元，资金来源企业自筹和专项资金的支持，投产后年均利税总额为1000万元。

1.4产品及质量标准：

主要产品为98% H2SO4,质量符合工业硫酸国家标准GBT34-2002一等品标准。

1.5节能指标：

单位产品电耗98KW·h/t 98% H2SO4以下，远低于199 KW·h/t100% H2SO4的生产指标，合理采用循环水系统，使本项目工业复用水率高达96.5%。

项目建成投产后，铜冶炼整体系统安全、节能、环保。

2工艺流程图

3变频器的应用

在这个工艺流程中， SO2烟气由干燥塔到散热器的过程是由鼓风机经风道传递的，而鼓风机的运行采用了变频控制，启动平稳，风量可随时根据需要任意调节，并节约了能量。

3.1现场的基本数据

（1）电动机

名称：SIMA变频调速三相异步电动机

型号：YPT5003-2

功率：710KW

绝缘等级：F

额定电压：10KV

额定电流：49.7A

接法：Y型

防护等级：IP54

恒转矩：2260N.M,20-50Hz.

冷却方式：IC616

生产厂家：西安西码电机（集团）股份有限公司

（2）离心鼓风机

型号：C850-1.357/0.969

流量：850m3/min

出口压力：38000Pa

电机功率：710KW

主轴转速：2980r/min

生产厂家：湖北双创鼓风机制造有限公司

3.2系统方案

根据用户要求，现场共两套系统，配置两台风机，配置一套变频器，即一台变频器拖动二台电机，采用一拖二方式。旁路系统由1个高压真空接触器KM1和5个高压隔离开关K1、K21、K22、K31、K32组成。要求K21不能和K1、K31同时闭合，K22不能和K1、K32同时闭合，在电气上实现互锁。K1与K31闭合，K21断开，1#电机变频运行；K1与K32闭合，K22断开，2#电机变频运行。K1与K31断开，K21闭合，1#电机工频运行；K1与K32断开，K22闭合，2#电机工频运行。

主回路图如下：

3.3变频器的配置

根据现场情况和用户要求，采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-710F型号的高压大功率变频器为用户配置。

（1）变频装置技术数据

A、额定输入电压：10KV,允许变化范围：+15%～-20%

B、额定输出电压：0～10KV

C、额定容量：900KVA

D、输入谐波：＜3%

E 、输入功率因数：＞95%

F、过载能力：120%连续，150%1分钟。

（2） 风光高压变频器的主要特点及构成：

高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为每相8单元串联多电平拓扑结构，主体结构由控制柜、功率柜、变压器柜组成。

控制器采用32位高速DSP芯片，精心设计的算法可以保证电机达到较优的运行性能。彩色嵌入式人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器还包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号（包括DCS/RS485//Modbus）的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强系统的灵活性。控制器结构上采用箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

（3）控制方式

变频器有三种控制方式：

本地控制：从变频器操作界面控制电机的启、停，并能完成变频器的所有控制；

远程控制：通过内置PLC接受来自现场的开关量控制；

上位机控制：通过RS485接口，采用PROPFIBUS通讯协议，接收上位DCS系统的控制；或与DCS硬连接。

在本系统中，由于用户采用DCS集中控制系统，因此我们采用上位机控制，将变频器所需要的开机信号和速度调节信号直接传至用户的集中控制系统，采用硬连接，在DCS上直接进行调节，并接受由DCS上传输的现场电机的温度及风量调节信号，实现电机过热保护及风量的自动调节。

表1、用户DCS与变频器的接口：

表2、高压变频系统到用户DCS的接线：

4安装与调试

4.1安装

安装时注意不要将变频器安装在有较大灰尘、腐蚀或爆炸性气体、导电粉尘等空气污染的环境里。考虑通风散热及操作空间的需要，10KV系列整套装置背面离墙或是别的柜体距离不得小于1500mm，装置顶部离屋顶距离不得小于1500mm;装置正面离墙或是别的柜体距离不得小于1500mm。

所有柜体应牢固安装于基座之上，并和厂房大地可靠连接。变压器屏蔽层及接地端子PE也应接至厂房大地。各柜体之间应相互连接成为一个整体。

安装过程中，要防止变频器受到撞击和震动，所有柜体不得倒置，倾斜角度不得超过30°。

变频器安装场地应采取完善的小动物防护措施。

以变频器随机配套的《整机连线图》为依据进行安装接线。

a.确认变频器壳体安装正确整齐，底部槽钢与大地可靠连接（建议采用焊接方式）。包括控制柜、功率柜、变压器柜和旁路柜。风道的设计、安装必须防雨，以防雨水顺风道进入变频器内。

b.变频器功率柜分前后两面安装。每相前后面各4个单元，按照功率单元标注的编号的顺序将单元放入功率柜（虽然单元可以互换，但是按编号安放便于查询，也符合人的正常思维）。

c.安装UPS,人机界面，高压带电显示装置，变压器温控仪，电流传感器，报警器。

d.依照连线图接变频器内部连线。

4.2通控制电调试过程

注意：通控制电调试时必须确保高压电不能加到变频器上，以确保人身安全

（1）通上交流220V控制电（交流220伏控制电用6mm2的电源线。控制电源为AC220V±10%，容量不小于5KVA。合上控制柜、旁路柜内断路器，开UPS后当人机界面显示正常时，说明控制电源已送上，触摸屏会自动进入监控程序。

（2）合变频柜主回路上的隔离开关。

（3）按变频送电按钮或是模拟短接高压就绪接点，但是在送高压电之前必须将模拟短接点断开。

（4）开机用示波器测量单元输出波形和总输出波形是否正确。

每个单元输出的波形：

（5）按照变频器的接线图及技术协议连接变频器的内部接线。

4.3依照连线图接变频器与外部连线

（1）外部高压就绪，故障输出，报警输出，就地指示，远程指示，变频指示，工频指示，远程急停，远程开机，远程停机，远程频率给定，电流输出，频率输出，工艺允许，联跳外部高压等。

（2）变频器控制柜内的走线原则

高压线和低压线分开走线，交流和直流分开走线，PLC 输入和4～20mA模拟信号必须用屏蔽线，屏蔽线线径不能小于0.5mm2,以免线径太细压接时易断。

交流电源用线沿控制柜靠近功率单元柜的一侧走，直流电源用线沿控制柜不靠功率柜的的一侧走线。走线要整齐、美观、易查。

4.4试验变频器远程开机，停机，频率给定

电流输出与频率输出和各种显示，及与现场联系的各种必要的互锁。

4.5现场通高压电调试

（1）将高压电送至变频器，无特殊情况不要在通高压电的情况下测输出或是其他地方，如需测试，调试人员需做好安全防护并经技术人员允许后再测试，以免出现安全事故。

（2）轻载试验，观察变频器运行是否正常。

（3）试验工频变频状态下，电机转向是否一致。如果不一致，则将变频器三相输出中任意两相更换位置。

（4）重载试验

由于该系统电机轴承与风机配比不太合理，且电机为恒转矩调速，启动时较困难，需要增加低频补偿，经过试验，在风门全开，即负荷最大情况下，大约设定在3.5%,可满足正常启动要求。

原系统DCS控制设置有手动和自动两种控制方式，调试时先在手动方式调试工作正常，根据用户要求，设置变频器频率上升、下降时间，达到上升不过流保护/下降不过压保护，实际实验时间为上升300s,下降420s.然后再转至自动运行状态，有DCS的PID输出控制变频器的频率，从而达到稳定的运行状态。

系统最终运行参数：

变频器：

频率40Hz,

输出电流39A,

输入电流21A,

输出电压7.37KV,

输入电压9.34KV

风机参数：

气体温度： 进口31.10℃，出口 57.10℃

气体压力： 进口 -7.04Kpa,出口 17.06Kpa

电机轴承温度 左：34.1℃，右：34.10℃

5应用效果

（1）实现了系统的平稳启动。该设备为新机配套，由于系统电网配置小，工频直接启动，电流大约为额定电流的5-7倍，即启动瞬间可达300A左右，在风门开启时根本启动不了。而采用变频启动，启动电流大约在额定电流的一半左右（约28A）即可平稳正常启动，因此解决了软启动问题。

（2）运行中调速平滑、连续，.可依据工艺需要平滑的调节变频器的频率，进而无级的调节电机转速，使SO2送风量得到无级平滑的调节，减少了对风门及系统的冲击，极大的保护了风道系统，免受冲击损害。

（3）简化了操作系统，精简了控制程序，减轻了工人的劳动强度，特别是自动控制的应用，提高了整个系统的自动化程度，实现了变频器无人值守。

（4）节能显著。

对风机泵类负载，由流体力学知，流量与转速成正比，管压与转速的平方成正比，而轴功率与转速的立方成正比。

现系统运行在40Hz ,因此变频运行下的功率

P变=（40/50）3P工=0.83P工=0.51 P工

当然变频改造后效率可能要降低一些，总体效率大约80%.因此变频应用后的实际效率为

P1变=0.51/80% P工=0.64 P工=64% P工

则节电率为⊿P= （P工- P1变）/ P工=36%

节电效果是十分明显的，基本达到了预期的节能效果。

总之，使用变频器后，实现了软启动，运行平稳，节约电能，是实现自动化控制的较理想设备，值得在各种领域大力推广。

审核编辑：汤梓红