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摘 要：在分析焦炉煤气加压机系统存在问题的基础上，对系统中的关键性问题进行了研究和分析，提出了变频调速改造方案。运用变频调速技术对焦炉煤气加压机进行改造，实现自动恒压供气，取得了高效节能的效果。
关键词：变频调速；PLC；PID控制；焦炉煤气加压机
一、前言
马钢热电总厂CCPP机组配备一套焦炉煤气加压系统，有焦炉煤气加压风机（简称COG加压机）有2台，一台运行一台备用。为了CCPP机组稳定燃烧，需要根据高炉煤气热值的变化而混掺一定数量的焦炉煤气，以提高和控制进入CCPP机组的煤气热值。焦炉煤气混掺前通过COG加压机加压，出口压力控制在14-19kPa之间，之后经过煤气混合器，均匀掺入高炉煤气中。整套系统的控制逻辑由日本三菱设计。
二、设备参数
1、COG加压机风机参数
2、COG加压机电机参数
三、系统存在的问题
正常运行时，COG加压机只需控制出口压力在14-19kPa之间，焦炉煤气流量由煤气混合器前A/B流量阀根据混合煤气热值来调节，工艺流程如图一所示。
图一 CCPP煤气供应工艺流程图
1. 自2009年6月对COG加压机采用膜片联轴器改造以来，该电机运行比较稳定，一般情况下电机电流基本在300-330A之间。当焦炉煤气品质发生变化时，COG加压机经常发生超额定电流（348A）现象，一般都超过380A。为保证设备安全运行，运行人员只能采取降低CCPP机组负荷的办法来减少COG加压机流量，以降低电机电流。
2. COG加压机启动时间55秒左右，启动电流在2400A以上，启动时400V母线电压由400V降至360V左右，电压降约10%。COG加压机启动时，变压器过载1.5倍以上，为此，放大了COG加压机的保护定值以满足COG加压机的启动，致使保护的灵敏度下降，影响了在线设备的安全运行。
3. COG加压机入口风门在8.5-11%处、回流阀在14%附近卡涩严重，接受DCS指令有明显滞后，阀门有明显的抖动现象，致使COG加压机出口压力和流量急剧变化，从而影响到CCPP机组的安全运行。如：2008年9月27日下午17：26，COG加压机回流阀在调节过程中卡涩，在14%的位置停顿后，突然开大到31%，导致COG加压机出口压力突降，引起CCPP机组跳机，造成马钢新区煤气大量放散。
4. COG加压机入口风门、回流阀，响应速度慢，1/2#加压机相互切换流程复杂，自投运以来基本未实现过在线切换。
四、变频改造的可行性
1. 从厂家提供的设备参数（风机轴功率138.5kW，电机额定功率200kW）来看，电机功率远大于风机所需的功率，而实际上风机启动时间相对其他风机启动时间要长得多，运行电流也非常接近额定电流。因焦炉煤气较轻，所以风机的叶轮做的比普通风机大，因而转动惯量大，启动比较困难，而运行功率并不大。
2. 运行电流大主要是工艺上需要通过回流阀来调节COG加压机出口压力，部分焦炉煤气通过回流阀又回到了机前，初步判断，回流的这部分焦炉煤气可能消耗了较大的功率。为了验证回流损耗，我们于2011年6月30日对此进行了测试，数据如下：
从上表可看出，当回流门关闭时，除流量有所增加外，其余参数都在下降，电机电流和功率下降较多。
3. 据统计数据，CCPP机组正常运行时，焦炉煤气消耗量约1.5万m3/h，即COG加压机实际流量为250m3/min，是风机额定流量（460 m3/min）的54.3%，而电机基本上以满负荷运行，大量的电能消耗在煤气循环和阀门的节流损耗中。
4. 实际生产中，高、焦炉煤气压力、热值的波动在所难免，为了维持COG加压机出口压力稳定，采用回流阀调节焦炉煤气的回流量来控制COG加压机出口压力。而在实际运行中，这种控制方式由于焦炉煤气的比重小和回流阀灵敏度低等问题的影響，导致系统控制精度低、不稳定、反应滞后，且节流和回流损耗大。
综合上述，COG加压机电机的功率能满足系统正常运行工况时的功率需求，且有较大的余量。COG风机变频调速改造后，可以实现电机软启动，降低全压直接启动对电网的冲击和对机械设备的损害；可以根据焦炉煤气压力和流量的波动调节风机转速，实现COG风机出口压力的恒定；可以将回流阀关闭，降低回流损耗，解决因回流阀卡涩和回流量大造成的煤气管线温度高而带来的一系列安全隐患。因此，变频改造是解决上述问题的最佳方案。
五、系统要求
1. 由于COG风机的在系统中的重要地位，要求改造后在变频器出现故障时，系统仍然能工频运行，确保CCPP机组能稳定运行，因此，变频改造后保留原工频运行的所有功能。
2. 由于该控制系统由三菱设计，所有控制逻辑全部由三菱DCS实现，变频改造后需要三菱公司派人来现场修改控制逻辑，其费用相当高，且与三菱沟通困难，因此，变频改造不改变三菱的控制逻辑，也不增加任何接口回路，只在运行方式上作相应的调整。
基于上述两点考虑，我们采用采用PLC、变频器构成一个小型自动控制系统来实现自动恒压供气。
六、改造后的效果
该系统于2012年4月9日开始投运，投运后系统运行稳定，操作简单，达到了预期目的。
1. 下图为1#与2#COG加压机切换前后焦炉煤气压力对比图。1#COG加压机工频运行，2#COG加压机变频运行。
图六 1/2#COG加压机出口压力
由图可看出，改造后COG加压机出口焦炉煤气压力更加平稳，且切换过程对系统几乎无冲击，实现了无扰动切换。
2. 采用变频调速后，焦炉煤气压力调节变得更加简单，可以将COG加压机前调节阀全开，回流阀全关，这样不仅减少了节流和回流损耗，在管网压力波动时，调节更加快速，稳定，而且由于没有煤气循环，不用担心煤气管网超温，提高了系统的安全性。
3. 实现了风机软启动，减少了对电机、变压器等一次设备的冲击，启动平稳，提高了设备运行的安全性和可靠性。
4. 电机运行电流由改造前的300-330A降至150-220A（平均约为190A），节能效果明显。
七、结语
此次改造从实际应用出发，对系统中的关键性问题进行了研究，成功地运用PLC和变频器解决了生产中长期困扰的难题，并充分利用了PLC的优势实现了与三菱DCS的完美对接，取得了良好的应用效果，经实践证明，该解决方案简单、实用具有一定的推广和应用价值。
参考文献
[1] 廖常初《可编程序控制器的编程方法与工程应用》重庆 重庆大学出版社，2001.1.
[2] 马小亮《高性能变频调速及其典型控制系统》北京 机械工业出版社，2010.4.
[3]施耐德电气《Twido编程控制器软件参考手册》 2008.5.
[4]西门子《SINAMICS S120/S150参数手册》2011.1.
关键词：变频调速；PLC；PID控制；焦炉煤气加压机
一、前言
马钢热电总厂CCPP机组配备一套焦炉煤气加压系统，有焦炉煤气加压风机（简称COG加压机）有2台，一台运行一台备用。为了CCPP机组稳定燃烧，需要根据高炉煤气热值的变化而混掺一定数量的焦炉煤气，以提高和控制进入CCPP机组的煤气热值。焦炉煤气混掺前通过COG加压机加压，出口压力控制在14-19kPa之间，之后经过煤气混合器，均匀掺入高炉煤气中。整套系统的控制逻辑由日本三菱设计。
二、设备参数
1、COG加压机风机参数
2、COG加压机电机参数
三、系统存在的问题
正常运行时，COG加压机只需控制出口压力在14-19kPa之间，焦炉煤气流量由煤气混合器前A/B流量阀根据混合煤气热值来调节，工艺流程如图一所示。
图一 CCPP煤气供应工艺流程图
1. 自2009年6月对COG加压机采用膜片联轴器改造以来，该电机运行比较稳定，一般情况下电机电流基本在300-330A之间。当焦炉煤气品质发生变化时，COG加压机经常发生超额定电流（348A）现象，一般都超过380A。为保证设备安全运行，运行人员只能采取降低CCPP机组负荷的办法来减少COG加压机流量，以降低电机电流。
2. COG加压机启动时间55秒左右，启动电流在2400A以上，启动时400V母线电压由400V降至360V左右，电压降约10%。COG加压机启动时，变压器过载1.5倍以上，为此，放大了COG加压机的保护定值以满足COG加压机的启动，致使保护的灵敏度下降，影响了在线设备的安全运行。
3. COG加压机入口风门在8.5-11%处、回流阀在14%附近卡涩严重，接受DCS指令有明显滞后，阀门有明显的抖动现象，致使COG加压机出口压力和流量急剧变化，从而影响到CCPP机组的安全运行。如：2008年9月27日下午17：26，COG加压机回流阀在调节过程中卡涩，在14%的位置停顿后，突然开大到31%，导致COG加压机出口压力突降，引起CCPP机组跳机，造成马钢新区煤气大量放散。
4. COG加压机入口风门、回流阀，响应速度慢，1/2#加压机相互切换流程复杂，自投运以来基本未实现过在线切换。
四、变频改造的可行性
1. 从厂家提供的设备参数（风机轴功率138.5kW，电机额定功率200kW）来看，电机功率远大于风机所需的功率，而实际上风机启动时间相对其他风机启动时间要长得多，运行电流也非常接近额定电流。因焦炉煤气较轻，所以风机的叶轮做的比普通风机大，因而转动惯量大，启动比较困难，而运行功率并不大。
2. 运行电流大主要是工艺上需要通过回流阀来调节COG加压机出口压力，部分焦炉煤气通过回流阀又回到了机前，初步判断，回流的这部分焦炉煤气可能消耗了较大的功率。为了验证回流损耗，我们于2011年6月30日对此进行了测试，数据如下：
从上表可看出，当回流门关闭时，除流量有所增加外，其余参数都在下降，电机电流和功率下降较多。
3. 据统计数据，CCPP机组正常运行时，焦炉煤气消耗量约1.5万m3/h，即COG加压机实际流量为250m3/min，是风机额定流量（460 m3/min）的54.3%，而电机基本上以满负荷运行，大量的电能消耗在煤气循环和阀门的节流损耗中。
4. 实际生产中，高、焦炉煤气压力、热值的波动在所难免，为了维持COG加压机出口压力稳定，采用回流阀调节焦炉煤气的回流量来控制COG加压机出口压力。而在实际运行中，这种控制方式由于焦炉煤气的比重小和回流阀灵敏度低等问题的影響，导致系统控制精度低、不稳定、反应滞后，且节流和回流损耗大。
综合上述，COG加压机电机的功率能满足系统正常运行工况时的功率需求，且有较大的余量。COG风机变频调速改造后，可以实现电机软启动，降低全压直接启动对电网的冲击和对机械设备的损害；可以根据焦炉煤气压力和流量的波动调节风机转速，实现COG风机出口压力的恒定；可以将回流阀关闭，降低回流损耗，解决因回流阀卡涩和回流量大造成的煤气管线温度高而带来的一系列安全隐患。因此，变频改造是解决上述问题的最佳方案。
五、系统要求
1. 由于COG风机的在系统中的重要地位，要求改造后在变频器出现故障时，系统仍然能工频运行，确保CCPP机组能稳定运行，因此，变频改造后保留原工频运行的所有功能。
2. 由于该控制系统由三菱设计，所有控制逻辑全部由三菱DCS实现，变频改造后需要三菱公司派人来现场修改控制逻辑，其费用相当高，且与三菱沟通困难，因此，变频改造不改变三菱的控制逻辑，也不增加任何接口回路，只在运行方式上作相应的调整。
基于上述两点考虑，我们采用采用PLC、变频器构成一个小型自动控制系统来实现自动恒压供气。
六、改造后的效果
该系统于2012年4月9日开始投运，投运后系统运行稳定，操作简单，达到了预期目的。
1. 下图为1#与2#COG加压机切换前后焦炉煤气压力对比图。1#COG加压机工频运行，2#COG加压机变频运行。
图六 1/2#COG加压机出口压力
由图可看出，改造后COG加压机出口焦炉煤气压力更加平稳，且切换过程对系统几乎无冲击，实现了无扰动切换。
2. 采用变频调速后，焦炉煤气压力调节变得更加简单，可以将COG加压机前调节阀全开，回流阀全关，这样不仅减少了节流和回流损耗，在管网压力波动时，调节更加快速，稳定，而且由于没有煤气循环，不用担心煤气管网超温，提高了系统的安全性。
3. 实现了风机软启动，减少了对电机、变压器等一次设备的冲击，启动平稳，提高了设备运行的安全性和可靠性。
4. 电机运行电流由改造前的300-330A降至150-220A（平均约为190A），节能效果明显。
七、结语
此次改造从实际应用出发，对系统中的关键性问题进行了研究，成功地运用PLC和变频器解决了生产中长期困扰的难题，并充分利用了PLC的优势实现了与三菱DCS的完美对接，取得了良好的应用效果，经实践证明，该解决方案简单、实用具有一定的推广和应用价值。
参考文献
[1] 廖常初《可编程序控制器的编程方法与工程应用》重庆 重庆大学出版社，2001.1.
[2] 马小亮《高性能变频调速及其典型控制系统》北京 机械工业出版社，2010.4.
[3]施耐德电气《Twido编程控制器软件参考手册》 2008.5.
[4]西门子《SINAMICS S120/S150参数手册》2011.1.