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。
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。
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。
(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。
(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。
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。
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