蔣 森
(唐山鋼鐵設計研究院有限公司,河北唐山063000)
某鋼鐵企業(yè)建有煉鐵550 m3高爐一座,高爐出鐵廠除塵風機為800 kW三相異步電機,為了相應國家節(jié)能減排號召,廠方決定對風機進行節(jié)能改造。
除塵風機輸出功率不能隨生產負荷變化而變化,只有通過改變風門、檔板的開度來調整,這導致負載運行效率較低,并且有大量能量浪費在節(jié)流損失中。雖然高爐出鐵廠除塵風機使用了液力耦合器調速,但由于液力耦合器運轉效率比較低,維護工作量大,軸封、軸承等部件經常需要更換,致使大量能量以及人力、物力的浪費。具體存在著如下問題:
(1)調速范圍有限為50%~95%,轉速不穩(wěn)定;
(2)調速越低時,效率越低,低速時發(fā)熱厲害;
(3)調速精度低,線性度差,響應慢,不大適應自動控制要求;
(4)電機雖然可以不帶載啟動,但仍然有5倍左右的沖擊電流,影響電網穩(wěn)定;
(5)必須串入電機和機械的連接軸中,不適合于設備改造,液力耦合器故障時,沒有工頻旁路系統(tǒng),負載機械將無法運轉,必須停機檢修。
為了提高高爐出鐵廠的生產效率、降低能耗以及系統(tǒng)的綜合可靠性,擬采用全數(shù)字交流高壓變頻器實施控制。利用高壓變頻調速技術的改變設備的運行速度,以實現(xiàn)調節(jié)現(xiàn)場工況所需風壓、風量的大小,大大提高系統(tǒng)的自動化程度,既滿足生產要求,又達到了節(jié)約電能的目的。
一拖一系統(tǒng)成套設計方案,是變頻器配帶旁路的典型方案。原理是由3個高壓開關QS1、QS2和QS3和高壓開關QF、電動機M組成(見圖1)。要求QS2和QS3之間存在機械互鎖邏輯,不能同時閉合。變頻運行時,QS3斷開,QS1和QS2閉合;工頻運行時,QS1和QS2斷開,QS3閉合。高壓開關QF、電動機M為現(xiàn)場原有設備。
圖1 一拖一系統(tǒng)成套設計方案
采用利德華福完美無諧波系列高壓變頻器。該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式,實現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對電網諧波污染極小、輸入功率因數(shù)高、輸出波形質量好、不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性,不必加輸出濾波器,就可以使用原有的普通異步電機,不需要更換電機。
采用高壓變頻調速控制后,采用開閉閥門與除塵風機轉速調節(jié)相結合的控制方式。由于生產工藝的要求,除塵風機需要在煉鐵時停止除塵,在出鐵時開始除塵。因此,變頻調速裝置在煉鐵時低速運行,出鐵時高速運行。當所有的出鐵口煙塵撲集罩閥門全部打開時,風機以最高轉速運行,其他情況在保證每一煙罩除塵效果的前提下,根據煙罩閥門的開、關情況自動調節(jié)風機轉速,盡量降低風機轉速,則可達到節(jié)約電能的目的。
(1)現(xiàn)場工況及負載技術數(shù)據(見表1)。
(2)工頻狀態(tài)下的耗電量計算。
Pd為電動機功率;
Cd為年耗電量值;
U為電動機輸入電壓;
I為電動機輸入電流;
表1 出鐵廠除塵風機運行參數(shù)表
cos φ為功率因子;
T為年運行時間;
δ為單負荷運行時間百分比。
根據式(1)、式(2),通過計算,可得出工頻情況下各負載的耗電量如表2。
表2 工頻情況下各負載的耗電量表
綜合高速、低速運行的時間,計算出平均工頻運行功率如表3。
表3 平均工頻運行功率表
(3)變頻狀態(tài)下的年耗電量計算。對于風機負載(系統(tǒng)變頻改造前有液耦調速設備)計算如下:
因為不管是用液耦調速還是變頻調速,所需要的風機軸功率是相同的,得出公式
其中,
Pd為液耦時工頻功耗;
Pb為變頻時功耗;
P'為風機軸功率;
ηd為電機效率;
ηy為液耦效率;
ηb為變頻器效率。
由液力耦合器的運行特性可知,
其中,
n'為風機實際轉速;
n0為電機額定轉速。
累計年耗電量公式
其中,
Cb為年耗電量值;
Cb為變頻時功耗;
T為年運行時間;
δ為單負荷運行時間百分比。
變頻器的效率曲線可從圖2中查出。
圖2 變頻器的效率曲線
根據算式(3)、(4)、(5),通過計算可得出變頻情況下各負載的耗電量如表4。
表4 變頻情況下各負載的耗電量
根據加權時間得出設備在變頻調速下運行的平均功率如表5。
表5 在變頻調速下運行的平均功率表
(4)節(jié)能計算。
變頻改造后,根據算式(6)、式(7),可計算出各負載上變頻后與工頻相比每年的節(jié)電情況如表6。
表6 除塵風機年節(jié)電數(shù)據表
(5)投資回收期。
(1)維護量減少。采用變頻調速后,無論哪種工藝條件,隨時可以通過調整轉速,使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作。通常情況下,變頻調速系統(tǒng)的應用,主要是為了降低電機的轉速。由于啟動緩慢及轉速的降低,相應地延長了許多零部件的壽命;同時極大地減輕了對管道的沖擊,有效延長了管道的檢修周期,減少了檢修維護開支,節(jié)約大量維護費用。
(2)工作強度降低。由于調速系統(tǒng)在運轉設備與備用設備之間實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖控制,機組實現(xiàn)自動運行和相應的保護及故障報警,操作工作由手動轉變?yōu)楸O(jiān)控,完全實現(xiàn)生產的無人操作,大大降低了勞動強度,提高了生產效率,為優(yōu)化運營提供了可靠保證。
(3)減少了對電網的沖擊。采用變頻調節(jié)后,系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動,電機啟動電流遠遠小于額定電流,啟動時間相應延長,對電網無大的沖擊,減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷,有效延長了電機的使用壽命。
通過使用高壓變頻裝置,圓滿完成了出鐵廠風機的節(jié)能改造,系統(tǒng)已經可靠運行6個月,節(jié)能效果顯著,受到了用戶肯定和好評,同時也為其他鋼鐵企業(yè)風機類負載的節(jié)能改造提供借鑒。
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