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。

1 現(xiàn)場情況

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。

2 系統(tǒng)解決方案說明

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。

3 方案應用預期效果

3.1 節(jié)能分析

（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。

3.2 應用高壓變頻調速系統(tǒng)產生的其他效果

（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。

4 結束語

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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