蔣 森

（唐山鋼鐵設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)為800 kW三相異步電機(jī)，為了相應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，廠方?jīng)Q定對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況

除塵風(fēng)機(jī)輸出功率不能隨生產(chǎn)負(fù)荷變化而變化，只有通過(guò)改變風(fēng)門、檔板的開(kāi)度來(lái)調(diào)整，這導(dǎo)致負(fù)載運(yùn)行效率較低，并且有大量能量浪費(fèi)在節(jié)流損失中。雖然高爐出鐵廠除塵風(fēng)機(jī)使用了液力耦合器調(diào)速，但由于液力耦合器運(yùn)轉(zhuǎn)效率比較低，維護(hù)工作量大，軸封、軸承等部件經(jīng)常需要更換，致使大量能量以及人力、物力的浪費(fèi)。具體存在著如下問(wèn)題：

（1）調(diào)速范圍有限為50%～95%，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；

（2）調(diào)速越低時(shí)，效率越低，低速時(shí)發(fā)熱厲害；

（3）調(diào)速精度低，線性度差，響應(yīng)慢，不大適應(yīng)自動(dòng)控制要求；

（4）電機(jī)雖然可以不帶載啟動(dòng)，但仍然有5倍左右的沖擊電流，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；

（5）必須串入電機(jī)和機(jī)械的連接軸中，不適合于設(shè)備改造，液力耦合器故障時(shí)，沒(méi)有工頻旁路系統(tǒng)，負(fù)載機(jī)械將無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，必須停機(jī)檢修。

2 系統(tǒng)解決方案說(shuō)明

為了提高高爐出鐵廠的生產(chǎn)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(shí)施控制。利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行速度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)工況所需風(fēng)壓、風(fēng)量的大小，大大提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到了節(jié)約電能的目的。

一拖一系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)方案，是變頻器配帶旁路的典型方案。原理是由3個(gè)高壓開(kāi)關(guān)QS1、QS2和QS3和高壓開(kāi)關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M組成（見(jiàn)圖1）。要求QS2和QS3之間存在機(jī)械互鎖邏輯，不能同時(shí)閉合。變頻運(yùn)行時(shí)，QS3斷開(kāi)，QS1和QS2閉合；工頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2斷開(kāi)，QS3閉合。高壓開(kāi)關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M為現(xiàn)場(chǎng)原有設(shè)備。

圖1 一拖一系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)方案

采用利德華福完美無(wú)諧波系列高壓變頻器。該系列變頻采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染極小、輸入功率因數(shù)高、輸出波形質(zhì)量好、不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt及共模電壓等問(wèn)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(jī)，不需要更換電機(jī)。

采用高壓變頻調(diào)速控制后，采用開(kāi)閉閥門與除塵風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制方式。由于生產(chǎn)工藝的要求，除塵風(fēng)機(jī)需要在煉鐵時(shí)停止除塵，在出鐵時(shí)開(kāi)始除塵。因此，變頻調(diào)速裝置在煉鐵時(shí)低速運(yùn)行，出鐵時(shí)高速運(yùn)行。當(dāng)所有的出鐵口煙塵撲集罩閥門全部打開(kāi)時(shí)，風(fēng)機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，其他情況在保證每一煙罩除塵效果的前提下，根據(jù)煙罩閥門的開(kāi)、關(guān)情況自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，盡量降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，則可達(dá)到節(jié)約電能的目的。

3 方案應(yīng)用預(yù)期效果

3.1 節(jié)能分析

（1）現(xiàn)場(chǎng)工況及負(fù)載技術(shù)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

（2）工頻狀態(tài)下的耗電量計(jì)算。

Pd為電動(dòng)機(jī)功率；

Cd為年耗電量值；

U為電動(dòng)機(jī)輸入電壓；

I為電動(dòng)機(jī)輸入電流；

表1 出鐵廠除塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)表

cos φ為功率因子；

T為年運(yùn)行時(shí)間；

δ為單負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。

根據(jù)式（1）、式（2），通過(guò)計(jì)算，可得出工頻情況下各負(fù)載的耗電量如表2。

表2 工頻情況下各負(fù)載的耗電量表

綜合高速、低速運(yùn)行的時(shí)間，計(jì)算出平均工頻運(yùn)行功率如表3。

表3 平均工頻運(yùn)行功率表

（3）變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算。對(duì)于風(fēng)機(jī)負(fù)載（系統(tǒng)變頻改造前有液耦調(diào)速設(shè)備）計(jì)算如下：

因?yàn)椴还苁怯靡厚钫{(diào)速還是變頻調(diào)速，所需要的風(fēng)機(jī)軸功率是相同的，得出公式

其中，

Pd為液耦時(shí)工頻功耗；

Pb為變頻時(shí)功耗；

P'為風(fēng)機(jī)軸功率；

ηd為電機(jī)效率；

ηy為液耦效率；

ηb為變頻器效率。

由液力耦合器的運(yùn)行特性可知，

其中，

n'為風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；

n0為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

累計(jì)年耗電量公式

其中，

Cb為年耗電量值；

Cb為變頻時(shí)功耗；

T為年運(yùn)行時(shí)間；

δ為單負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(jù)算式（3）、（4）、（5），通過(guò)計(jì)算可得出變頻情況下各負(fù)載的耗電量如表4。

表4 變頻情況下各負(fù)載的耗電量

根據(jù)加權(quán)時(shí)間得出設(shè)備在變頻調(diào)速下運(yùn)行的平均功率如表5。

表5 在變頻調(diào)速下運(yùn)行的平均功率表

（4）節(jié)能計(jì)算。

變頻改造后，根據(jù)算式（6）、式（7），可計(jì)算出各負(fù)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(fēng)機(jī)年節(jié)電數(shù)據(jù)表

（5）投資回收期。

3.2 應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果

（1）維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，無(wú)論哪種工藝條件，隨時(shí)可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是為了降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長(zhǎng)了許多零部件的壽命；同時(shí)極大地減輕了對(duì)管道的沖擊，有效延長(zhǎng)了管道的檢修周期，減少了檢修維護(hù)開(kāi)支，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。

（2）工作強(qiáng)度降低。由于調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無(wú)人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營(yíng)提供了可靠保證。

（3）減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)機(jī)械損傷，有效延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用高壓變頻裝置，圓滿完成了出鐵廠風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造，系統(tǒng)已經(jīng)可靠運(yùn)行6個(gè)月，節(jié)能效果顯著，受到了用戶肯定和好評(píng)，同時(shí)也為其他鋼鐵企業(yè)風(fēng)機(jī)類負(fù)載的節(jié)能改造提供借鑒。

[1]王占奎，胡建非，馬洪順，等．從茂名石化和大慶新華電廠看高壓大容量變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用［J］．電氣傳動(dòng)，1999，（6）：12-13.

[2]王惠君，賈 偉.高壓變頻器在給水泵電機(jī)上的應(yīng)用及節(jié)能分析[J].有色冶金節(jié)能，2006，（6）：63-64.

[3]馬小亮.變頻器的應(yīng)用及市場(chǎng)[J].電工技術(shù),2002,(10):22-23.