[Zusammenfassung]: Diese Arbeit analysiert das Gasdruckregelungssystem für Koksofenanlagen. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern wird die Gasdruckregelung automatisch angepasst, der Druck in der Gashauptleitung des Koksofens stabilisiert, ein sicherer Betrieb gewährleistet und Energieeinsparungen erzielt. Dies löst das seit Langem bestehende Problem der Druckkonstanz in der Koksofenproduktion bei parallel betriebenen zwei Gebläsen, was durch die Einstellung des Rückschlagventils nicht möglich ist. [Schlüsselwörter]: Koksofen-Gasgebläse, Hochspannungs-Frequenzumrichter, Druck-PID-Regelung, nahtloses Umschalten des Gebläses . I. Einleitung: Die Kokerei der Tianjin Iron & Steel Group Co., Ltd. verfügt derzeit über zwei Koksöfen des Typs 58 und einen Koksofen des Typs JN43-80 sowie über ein komplettes Produktionssystem mit Kohleaufbereitung, Gasreinigung, Rückgewinnung chemischer Hilfsstoffe und Abwasserbehandlung. Die Anlage produziert 1,12 Millionen Tonnen Koks, 500 Millionen Kubikmeter Koksofengas, 45.000 Tonnen Koksteer, 13.000 Tonnen Rohbenzol und 15.000 Tonnen Ammoniumsulfat und verfügt über eine tägliche Abwasserbehandlungskapazität von 2.400 Tonnen. Aufgrund der gestiegenen Koksproduktion und des höheren Gassammeldrucks reicht der bisherige Betriebsmodus der Abgasgebläse (ein Betrieb, zwei Standby) bei hohen Sommertemperaturen nicht mehr aus, um die Produktionsanforderungen zu erfüllen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass der erhöhte Gasdruck und die erhöhte Temperatur ein Explosionsrisiko bergen, falls das Gas nicht rechtzeitig abgeführt werden kann. Im Koksofen-Produktionsprozess beeinflusst die Kontrolle des Gasdrucks in der Gassammelleitung die Koksofenproduktion direkt. Übermäßiger Druck im Ofen führt zu Rußbildung und Gasaustritt, was die Umwelt stark belastet und eine erhebliche Gefahr für die Arbeit und die Gesundheit der Arbeiter vor Ort darstellt. Umgekehrt führt zu niedriger Druck zu Unterdruck in der Karbonisierungskammer. Dadurch werden große Mengen Luft angesaugt und erhebliche Gasmengen verschwendet, was die Ausbeute und Qualität von Koks und Gas stark beeinträchtigt. Darüber hinaus beeinträchtigt ein anhaltender Unterdruckbetrieb die normale Produktion und Lebensdauer des Koksofens. Sollen die Gebläse im Zwei-Betriebs-/Ein-Standby-Modus arbeiten, wird der Druck in der Hauptgasleitung durch Verändern der Öffnung des Rücklaufventils (auch bekannt als kleines Zirkulationsventil) reguliert. Aufgrund des großen Druckunterschieds vor und nach den Gebläsen können jedoch bereits geringfügige Bewegungen des Regelventils drastische Druckschwankungen in der Hauptleitung verursachen, die den zulässigen Bereich überschreiten. Dies führt zu drastischen Änderungen sowohl des Drucks des rezirkulierten Gases als auch der an externe Verbraucher gelieferten Gasmenge. Die Folge ist eine unzureichende Gasversorgung des Koksofens oder die Unfähigkeit externer Verbraucher, normal zu arbeiten. Zudem führt die Gasrezirkulation zu Energieverschwendung. Nach umfangreichen Untersuchungen schlugen die Techniker der Kokerei vor, die Gebläsedrehzahl mittels Frequenzumrichter zu regeln und so den Druck in der Gassammelleitung zu steuern. Die Industrialisierung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern begann erst Mitte der 1980er Jahre. Dank der rasanten Entwicklung leistungsstarker Leistungselektronik und der starken Marktnachfrage haben sich Hochspannungs-Frequenzumrichter im letzten Jahrzehnt jedoch sehr schnell weiterentwickelt. Die eingesetzten Bauelemente haben sich von SCR, GTR und GTO zu IGBT, IECT und IGCT (SGCT) weiterentwickelt, mit Leistungen von mehreren hundert kW bis zu mehreren zehn MW. Die Technologie ist ausgereift, die Zuverlässigkeit gewährleistet und die Anwendungsbereiche werden immer vielfältiger. Nach dem Vergleich mehrerer in- und ausländischer Hersteller von Hochspannungs-Frequenzumrichtern entschied sich das Kokereiwerk der Tianjin Iron & Steel Metallurgical Group Co., Ltd. für den Hochspannungs-Frequenzumrichter der HARSVERT-A-Serie von Beijing Leadway Electric Technology Co., Ltd. Die Hochspannungs-Frequenzumrichter der HARSVERT-A-Serie sind stabil und äußerst zuverlässig und werden erfolgreich in verschiedenen Bereichen wie Energie, Metallurgie, Petrochemie, Wasserversorgung und Zementindustrie eingesetzt. Sie genießen breite Anerkennung bei den Anwendern und haben sich im Markt bewährt. II. Systemdesign 1. Elektrische Systemauslegung Die Kokerei der TianTie Group verfügt über drei Gasgebläse des Typs D1350-1.237/0.887. Normalerweise ist ein Gebläse in Betrieb, die anderen beiden stehen als Reserve bereit. Im Sommer hingegen sind zwei Gebläse in Betrieb, eines als Reserve. Basierend auf den tatsächlichen Betriebsbedingungen wurde der Schaltplan des Hauptstromkreises entworfen. Dabei wurden die optimalen 1:1- und 1:2-Lösungen unter Verwendung des Hochspannungs-Frequenzumrichters HARSVERT-A ausgewählt. 1.1 Funktionsprinzip des Hauptstromkreises Am Beispiel von Gebläse Nr. 1 lässt sich das Funktionsprinzip anhand von drei Vakuumschützen (KM11, KM12 und KM13) und zwei Hochspannungs-Trennschaltern (QS11 und QS12) veranschaulichen (siehe Abbildung 1). KM11, KM12 und KM13 sind Hochspannungs-Vakuumschütze, die zum Umschalten zwischen Frequenzumwandlung und Netzfrequenz dienen. QS11 und QS12 sind Hochspannungs-Trennschalter, die normalerweise geschlossen sind und nur bei Wartungsarbeiten am Umrichter geöffnet werden. Sie dienen der sicheren Wartung des Wechselrichters im laufenden Betrieb des Motors mit Netzfrequenz. Der Hauptstromkreis der Lüfter 3 und 4 arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip. Merkmale: 1) Automatische Umschaltung zwischen Netz- und Wechselrichterbetrieb. Bei einem schwerwiegenden Wechselrichterfehler schaltet das System automatisch auf das Stromnetz um. Bei Abschaltung des Wechselrichters muss die Last nicht abgeschaltet werden, wodurch die Anforderung erfüllt wird, dass das System nicht vor Ort abgeschaltet werden kann. 2) Einfache Implementierung der Betriebsmodi „Ein Betrieb – Zwei Standby“ und „Zwei Betrieb – Ein Standby“. Das heißt: ein Wechselrichter in Betrieb, ein Wechselrichter im Standby-Modus und ein Wechselrichter im Netzfrequenz-Standby-Modus; oder zwei Wechselrichter in Betrieb, ein Wechselrichter im Netzfrequenz-Standby-Modus. 1.2 Der Hochspannungs-Frequenzumrichter HARSVERT-A verwendet eine mehrstufige Spannungsquellentopologie in Reihenschaltung. Zu seinen Vorteilen zählen das Eingangs-Multiplexing, der extrem niedrige Oberwellengehalt und die Reihenschaltung der Ausgangsmodule, was ebenfalls zu einem extrem niedrigen Oberwellengehalt führt. Ohne Ausgangsfilter kann der Klirrfaktor (THD) unter 0,3 % liegen, wodurch der Hochspannungs-Frequenzumrichter wirklich „oberwellenfrei“ ist. Er zeichnet sich außerdem durch extrem geringe Drehmomentwelligkeit und Motorgeräusche, einen Leistungsfaktor von bis zu 0,95, keine Beschädigung der Motorisolierung, keine Kabellängenbeschränkungen und ein einfaches Redundanzdesign aus. Die chinesische Bedienoberfläche erleichtert die Wartung. 2. Automatisierungsnetzwerkdesign: Das Steuerungssystem besteht aus einer Hauptsteuerungs-SPS, einer Bypass-Schaltschrank-Steuerungs-SPS, dem Hochspannungs-Frequenzumrichter und einem Host-Computer. Die Hauptsteuerungs-SPS ist eine Siemens S7-300, der Bypass-Schaltschrank verfügt über eine integrierte Siemens S7-200, und die Überwachung auf dem Host-Computer erfolgt mit der Software KingSCADA. Das Kommunikationsnetzwerk nutzt einen Profibus-DP-Bus auf der unteren Ebene, und die Kommunikation zwischen der Hauptsteuerungs-SPS und dem Überwachungssystem des Host-Computers erfolgt über Ethernet. Die Siemens S7-300 dient als Steuerungskern des Gesamtsystems und verarbeitet verschiedene Anfragen der Mensch-Maschine-Schnittstelle, überwacht Systemparameter und implementiert die PID-Regelung des Gassammelrohrdrucks, um einen konstanten Rohrleitungsdruck zu gewährleisten. Der automatische Bypass-Schaltschrank integriert eine S7-200 SPS zur Umschaltung zwischen Frequenzumrichter und Netzfrequenz. Das Host-Computersystem nutzt die bekannte KingSCADA-Überwachungssoftware und ist über Ethernet mit der SPS verbunden. Aufgrund der hohen Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Stabilität im Betrieb vor Ort verwendet unsere Feldsteuerung eine Profibus-DP-Busverbindung, während die Überwachungs- und Betriebsebene eine Ethernet-Lösung nutzt und zur Fernüberwachung mit dem LAN-Hauptserver der Kokerei verbunden ist. Die Konfiguration sieht folgendermaßen aus: Die Siemens S7-200 ist mit einem EM277 Profibus-Busmodul ausgestattet, die S7-300 verwendet eine 315-2 DP-Schnittstelle und verfügt über ein CP341-1T Ethernet-Modul. Die integrierte DP-Schnittstelle der SPS dient der Verbindung zur S7-200, das CP343-1T Ethernet-Modul der Ethernet-Verbindung zum Host-Computer. Das Steuerungsnetzwerk zeichnet sich durch hohe Stabilität, Skalierbarkeit, offene Software und Hardware sowie eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle aus. Der Host-Computer ist unter anderem mit redundanter Steuerung ausgestattet. [align=center] (Systemnetzwerkdiagramm)[/align] 3. Software-Design Das Host-Computersystem verwendet die Software KingSCADA von Asia Control Technology Co., Ltd. Diese Software verfügt über eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle und unterstützt Ethernet-Netzwerke. Sie ermöglicht die einfache Implementierung von Fernüberwachung und weiteren Funktionen. Sie bietet leistungsstarke Berichts- und Alarmfunktionen, unterstützt OPC und die Kommunikation mit verschiedenen SPS-Modellen. Da das KingSCADA-Programm des Host-Computers das Ethernet-Kommunikationsprotokoll von Siemens nicht direkt unterstützt, wird während des Software-Designprozesses ein OPC-Server als Schnittstelle benötigt. Dieser ermöglicht es Maschinen im lokalen Netzwerk, die Maschinenparameter einfach abzurufen und so die Fernüberwachung zu vereinfachen. Die SPS S7-300 wird mit der Step 7-Software programmiert. Die Software verwendet einen modularen Programmieransatz, bei dem jede Systemfunktion in einen Funktionsbaustein (OB) umgewandelt wird. Dies macht die Software für Benutzer verständlich und einfach zu modifizieren. Sie unterstützt Kontaktpläne und Anweisungslisten. Fehlertolerante Programmierung erhöht die Systemstabilität. 4. Hauptsteuerungsdesign 4.1 Automatische Anlaufsteuerung des Ölkreislauf-Kühlsystems Vor jedem Gebläsestart wird die Hydraulikölpumpe gestartet, um Öl in den Drehzahlverstärker fließen zu lassen und die durch Reibung entstehende Wärme zu kühlen. Andernfalls kann das Gebläse nicht anlaufen. Erfüllt der Hauptölpumpendruck während des Betriebs nicht die Anforderungen, startet automatisch die Hilfsölpumpe und erwärmt das Öl entsprechend der Öltemperatur. Das System erkennt außerdem Verstopfungen im Ölkreislauf und überwacht die Öltemperatur an verschiedenen Stellen. 4.2 Automatische Umschaltung zwischen variabler und fester Gebläsefrequenz Läuft ein Gebläse mit variabler Frequenz und der Frequenzumrichter fällt aufgrund einer Störung aus, schaltet das System automatisch auf Festfrequenzbetrieb um. Gleichzeitig öffnet sich das Rücklaufventil des kleinen Umwälzventils, und der Gasdruck vor dem Gebläse wird durch die Anpassung der Ventilöffnung geregelt. Um Störungen beim Druckwechsel vor dem Gebläse zu minimieren, ist der Anfangswert der Ventilöffnung auf 50 % eingestellt. 4.3 Störungsfreies Umschalten zweier Gebläse: Wenn Gebläse 1 mit variabler Frequenz arbeitet und für Wartungsarbeiten am Frequenzumrichter oder am Gebläse selbst abgeschaltet werden muss, wird Gebläse 3 aktiviert. Dabei wird zunächst Gebläse 3 mit dem Frequenzumrichter 2 gestartet, während gleichzeitig der Frequenzumrichter 1 gestoppt wird. Da der Druck vor der Maschine durch einen PID-Regler geregelt wird, stoppt der Frequenzumrichter 1 gemäß der eingestellten Verzögerungszeit sanft, und der Volumenstrom am Einlassventil sinkt langsam. Umgekehrt erhöht Gebläse 3 seine Drehzahl gemäß der eingestellten Beschleunigungszeit sanft, und der Volumenstrom am Einlassventil steigt langsam an. Dies gewährleistet einen konstanten Druck in der Hauptgasleitung vor der Maschine, ermöglicht ein störungsfreies Umschalten zwischen den beiden Gebläsen und behebt das Problem drastischer Druckschwankungen in der Systemleitung, die durch das Umschalten zwischen den beiden Gebläsen im ursprünglichen Steuerungssystem verursacht wurden. (Details siehe Systemablaufdiagramm) 4.4 PID-Regelung des Drucks vor der Maschine: Bei Regelparametern wie Druck und Durchfluss ist die Zeitkonstante T0 des Regelkanals klein, während sich die Last schnell ändert. In diesem Fall würden sowohl der Differential- als auch der Integralanteil Schwingungen verursachen, die die Regelgüte stark beeinträchtigen. Daher wird kein Differentialregler verwendet. Die automatische Regelung des Koksofengasdrucks und des kleinen Umwälzventils erfolgt daher mittels PI-Regelung. Je größer der P-Wert, desto stärker die Proportionalwirkung; je kleiner der I-Wert, desto stärker die Integralwirkung. 4.5 Offline-Regelung des Drucksensors: Bei Steuerungssystemen mit sehr hohen Zuverlässigkeitsanforderungen wird die Mehrpunkt-Datenerfassung angewendet. Daher werden zwei Druckmesspunkte an der Hauptgasleitung vor der Maschine eingerichtet. Die Druckwerte an diesen beiden Punkten werden mit den Werten der SPS S7-300 verglichen. Überschreitet die Differenz einen bestimmten Wert, gilt der Sensor mit dem niedrigeren Druckwert als defekt. Dies gewährleistet die Genauigkeit der erfassten Druckwerte und somit die Systemzuverlässigkeit. 4.6 Notfallplan bei Störungen Das Gebläse-Frequenzumrichter-Steuerungssystem ist mit einem Notbetriebskasten im Hauptleitstand ausgestattet. Im Falle eines Ausfalls des Steuerungssystems wird der Wahlschalter betätigt, um die oberen und unteren Schütze des Frequenzumrichters über eine feste Verbindung zu trennen. Dadurch wird der Frequenzumrichter überbrückt und das System startet direkt mit Netzfrequenz. Das kleine Kreislaufsystem schaltet automatisch auf das alte Steuerungssystem zurück, um eine Eskalation des Fehlers zu verhindern. Fällt beispielsweise das Profibus-Buskabel aus, gerät das Gebläse außer Kontrolle und der Druck vor dem Gebläse sinkt aufgrund seiner Trägheit langsam ab. In diesem Fall gibt das Steuerungssystem einen akustischen und optischen Alarm aus, der einen Kommunikationsausfall meldet und ein schnelles manuelles Eingreifen erfordert, um auf den alten Steuerungsmodus zurückzuschalten. 4.7 Redundante Steuerung durch zwei Host-Computer-Überwachungssysteme Zwei Host-Computer überwachen das gesamte System gleichzeitig. Wenn der Hauptrechner A ausfällt und sich abschaltet, kann der Nebenrechner B das System weiterhin in Echtzeit überwachen und so dessen Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleisten. III. Fazit: Durch die Steuerung des Gebläses mittels eines Hochspannungs-Frequenzumrichters wird der Druck im vorderen Gassammelrohr des Gebläses konstant gehalten. Dies verbessert die Koksofenproduktion und die Umweltbedingungen vor Ort erheblich und erfüllt die Anforderungen des Produktionsprozesses vollständig. Die optimale Kombination aus SPS-Steuerung, PROFIBUS-Bustechnologie und Hochspannungs-Frequenzumrichtertechnologie ermöglicht einen hohen Integrationsgrad und Automatisierungsgrad, einen stabilen, einfachen und energiesparenden Betrieb. Das Problem, dass der Druck nicht konstant gehalten und die Umschaltung zwischen den beiden Gebläsen nicht durch die Einstellung des Rückschlagventils realisiert werden konnte, wird gelöst – ein Problem, das die Koksofenproduktion bisher beeinträchtigt hat. Der erfolgreiche Einsatz des Hochspannungs-Frequenzumrichter-Steuerungssystems für Koksofengebläse bietet einen hohen wirtschaftlichen Nutzen für die Verbesserung der Umweltbedingungen und die Steigerung von Menge und Qualität der Gasrückgewinnung und ist daher empfehlenswert. Quellen: [1] „Handbuch zur Hochspannungs-Frequenzumrichtertechnologie“, Beijing Lide Huafu Electric Technology Co., Ltd. [2] „Siemens Netzwerktechnologie“, Siemens Automation and Drives Group Corporation [3] „Verkokungsprozess“, China University of Mining and Technology Press