盧軍民，董亞存，趙喜敬

(1.河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北邯鄲056038;2.邯鄲鋼鐵集團(tuán)，河北邯鄲 056015)

風(fēng)機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中的通用設(shè)備，在冶金、水泥、礦山等多種行業(yè)均有應(yīng)用，其耗電量約占全國總發(fā)電量的1/3［1］。隨著能源形勢的日益嚴(yán)峻和環(huán)境污染的加劇，近年來國家要求各工礦企業(yè)節(jié)能減排，對現(xiàn)有設(shè)備積極地進(jìn)行節(jié)能改造。由于風(fēng)機(jī)應(yīng)用范圍大、耗電量高，因此對風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，提高風(fēng)機(jī)運行效率勢在必行。

以轉(zhuǎn)爐煉鋼用除塵風(fēng)機(jī)為例，根據(jù)風(fēng)機(jī)的實際應(yīng)用情況以及現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的具體要求，建立風(fēng)機(jī)控制控制模型，設(shè)計了利用變頻器進(jìn)行調(diào)速的風(fēng)機(jī)高效運行控制系統(tǒng)。

1 風(fēng)機(jī)高效運行控制模型

轉(zhuǎn)爐煉鋼的過程中伴有大量的煙塵產(chǎn)生，為了避免污染環(huán)境，通常采用大功率的除塵風(fēng)機(jī)將含有煙塵的氣體由轉(zhuǎn)爐上方的煙道抽出，煙氣經(jīng)過一、二次除塵系統(tǒng)凈化后，通過風(fēng)機(jī)后的煙囪排放到大氣中。

轉(zhuǎn)爐煉鋼一個工藝周期的工藝流程為:(1)兌鐵水、加廢鋼，用時4 min，煙塵較少;(2)吹煉，用時14 min，煙塵最多;(3)拉碳，用時2 min，煙塵較多;(4)出鋼，用時3 min，煙塵較少;(5)濺渣補(bǔ)爐，用時3 min，煙塵較少;(6)倒渣，用時1 min，煙塵較少。一個冶煉周期中，吹煉過程產(chǎn)生的煙塵最多，該階段需要除塵風(fēng)機(jī)高速運行;吹煉后期至拉碳階段，煙塵較多，該階段需要除塵風(fēng)機(jī)中速運行;兌鐵水、加廢鋼、出鋼、濺渣補(bǔ)爐、倒渣階段，煙塵較少，該階段只需除塵風(fēng)機(jī)低速運行 (一般為額定轉(zhuǎn)速的10%～15%)即可滿足轉(zhuǎn)爐煉鋼除塵的工藝要求。

風(fēng)機(jī)中輸送的為氣體，轉(zhuǎn)速變化時風(fēng)機(jī)的特性可以根據(jù)流體力學(xué)中的相似原理進(jìn)行推導(dǎo)［2］。在網(wǎng)路阻力保持不變的情況下，假設(shè)風(fēng)機(jī)原工況點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n1、風(fēng)量為Q1、風(fēng)壓為H1、功率為P1、效率為η1;工況調(diào)節(jié)后對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n2、風(fēng)量為Q2、風(fēng)壓為H2、功率為P2、效率為η2。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后工況參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系如下:

對風(fēng)機(jī)工況進(jìn)行變速調(diào)節(jié)時，變化前后工況點上的風(fēng)量、風(fēng)壓和功率之比分別與轉(zhuǎn)速的1、2、3次方成正比。當(dāng)流量由Q減小到0.5Q時，轉(zhuǎn)速只需由n降低到0.5n即可，而功率則由P降低到0.125P，風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)圖如圖1所示。在滿足雷諾準(zhǔn)則的前提下轉(zhuǎn)速變化對相應(yīng)工況點的效率基本不變。因此對風(fēng)機(jī)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)，可減少功率輸出、提高風(fēng)機(jī)的運行效率。

圖1 風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)圖

2 風(fēng)機(jī)調(diào)速方式的選擇

目前常用的調(diào)速方式有液力偶合器調(diào)速、繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、異步電動機(jī)變頻調(diào)速等。

液力偶合器安裝在電動機(jī)和風(fēng)機(jī)之間，主要由泵輪、渦輪和勺管等零件構(gòu)成［3］。裝在輸入軸上的泵輪與裝在輸出軸上的渦輪不直接接觸，它們之間有幾毫米的軸向間隙，因此液力偶合器是柔性傳動，可以隔離振動、防止過載。改變勺管的位置可以改變渦輪的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速范圍最大為4∶1。利用液力偶合器的充、放油可以實現(xiàn)空載啟動，減少電動機(jī)功率的富裕量。液力偶合器屬轉(zhuǎn)差損耗型調(diào)速，在調(diào)速的過程中，轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式損耗在油中，這不僅消耗了能量，而且使油溫升高，為此要加裝冷卻器。液力偶合器傳動時有功率損失，運轉(zhuǎn)時還有液體的流動損失、軸承及密封處的機(jī)械摩擦損失、容積損失、勺管損失等，因此效率較低。但由于液力偶合器價格較低，過去多數(shù)的風(fēng)機(jī)中選用這種調(diào)速方式。

繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是在繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子中串入附加電阻，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運行。此方法設(shè)備簡單、控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，效率較低，屬有級調(diào)速。

異步電動機(jī)變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器［3］。變頻調(diào)速范圍寬，達(dá)到10∶1以上，甚至達(dá)到100∶1以上;調(diào)速精度達(dá)到0.1 Hz，穩(wěn)定性高;調(diào)速效率高，無轉(zhuǎn)差損耗，其效率達(dá)0.95以上，并且不隨調(diào)速的范圍而變化;具有真正的軟啟動功能，它可以使起動電流值保持在額定電流以內(nèi)，不會對電網(wǎng)造成沖擊，也不會對所傳動的風(fēng)機(jī)設(shè)備帶來沖擊。變頻器一旦發(fā)生故障，可立即切出，并切換到工頻電源上，使風(fēng)機(jī)能保持連續(xù)運行。變頻器的價格貴，設(shè)備占地面積較大，但可分散安裝在控制室或室外。

由于除塵風(fēng)機(jī)耗電量大，為保證其高效運行需要、及時進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);變頻調(diào)速效率高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，雖然初期投資大，但節(jié)能效果好。綜合以上分析，為風(fēng)機(jī)選用變頻調(diào)速方式。

3 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速系統(tǒng)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部件為變頻器，此項目選用TMdrive-MV 2180/6kV完美無諧波變頻器。該變頻器達(dá)到IEEE-519要求標(biāo)準(zhǔn)，不需要更換原設(shè)電動機(jī)。輸出電流基本為正弦波，減少了電動機(jī)的高次諧波損失。不需設(shè)輸出變壓器，消除了由此造成的效率損失。采用二極管全波整流，顯著提高了功率因數(shù)，輸入功率因數(shù)達(dá)0.95以上。當(dāng)功率單元出現(xiàn)故障時，主控系統(tǒng)對各種信號協(xié)調(diào)，在條件滿足后，用最短的時間將出現(xiàn)故障的功率單元進(jìn)行旁路切除。主控系統(tǒng)通過改變算法，重新計算輸出波形，保持輸出電壓波形的完整。當(dāng)引發(fā)功率單元出現(xiàn)旁通的故障消失后，功率單元將該信息通知主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)實際情況自動恢復(fù)該功率單元的正常工作。由于上述過程是自動完成的，所以大大降低了停機(jī)的概率。工變切換是指在變頻器發(fā)生故障后，自動切換到工頻運行，在變頻器具備運行條件后，自動從工頻切換為變頻的功能。主回路中采用了最新的高壓IGBT，在減少部件數(shù)量的同時，也大幅度提高了可靠性。該變頻器操作運行簡便、故障判斷容易、維修維護(hù)方便、通信功能完善。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺采用PC-DAQ/PCI結(jié)構(gòu)。PCI總線是應(yīng)用最廣泛的計算機(jī)內(nèi)部總線之一，將數(shù)據(jù)采集卡插入計算機(jī)的PCI插槽中即可。該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)儀器而言，成本更低、操縱更靈活、性能更強(qiáng)。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件的選擇如下:

采集卡選用NI公司的NI PCI-6259 M型采集卡(具有32通道，4路模擬輸出，48路數(shù)字I/O)。

煙塵傳感器選用HS-200，可用于各種顆粒污染物濃度實時連續(xù)測量，采用激光背散射原理，不受煙道的機(jī)械振動及煙氣溫度不均造成的折射率不均導(dǎo)致的光束擺動影響。靈敏度2 mg/m3，單端安裝，無需對中。采用標(biāo)準(zhǔn) (0～20)/(4～20)mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，連接方便。

振動傳感器選用RP6700DK，外部接線有防爆保護(hù)，4～20 mA電流輸出，安裝容易，每個風(fēng)機(jī)軸承各兩個，呈90°夾角布置，報警速度8 mm/s，停車速度10 mm/s。

壓力傳感器選用PT124B-215本安防爆壓力變送器，抗干擾能力超強(qiáng)、量程覆蓋范圍寬，穩(wěn)定性好、靈敏度高。輸出為4～20 mA電流。

溫度傳感器選用WR-202，該溫度傳感器熱響應(yīng)時間快、抗熱性能強(qiáng)、耐高壓、抗震、安裝方式多樣化，具有防爆外殼。精度等級±(0.15+0.2%t);輸出可選擇4～20 mA(兩線制)或0～10 V(四線)。風(fēng)機(jī)軸承工作溫度為25～65℃，報警溫度85℃。

轉(zhuǎn)速傳感器選用YD-60磁電轉(zhuǎn)速傳感器，體積小、結(jié)實可靠、壽命長、不需電源和潤滑油，為非接觸式測量方式。

風(fēng)量傳感器選用KV621，其精度高、耐腐蝕、長期穩(wěn)定性高。外殼采用耐高溫防腐材料，適于在惡劣環(huán)境下使用。重復(fù)性、高低風(fēng)速跟隨等性能較好。

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計采用 LabVIEW語言進(jìn)行編程。LabVIEW是一種圖形化編程語言，用戶可以在短時間內(nèi)完成硬件連接、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲和分析等一整套測試系統(tǒng)的創(chuàng)建［4－5］。

該控制監(jiān)測系統(tǒng)軟件具有風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集、信號分析、顯示、報警和數(shù)據(jù)存儲與打印報表等功能，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。主要監(jiān)視界面如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控界面

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)改為應(yīng)用高壓變頻器調(diào)速控制之后，其響應(yīng)速度快、速精度高、可靠性強(qiáng)、節(jié)能效果明顯。運行過程中的耗電量減少，經(jīng)測算比之前的液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)節(jié)電率高29%。改造后風(fēng)機(jī)檢修周期由原來25 d延長至45 d，延長了風(fēng)機(jī)的使用壽命，減少了設(shè)備的維護(hù)量，可降低維修費用。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)滿足除塵的要求，改造后沒有發(fā)生溢煙情況，從未發(fā)生影響生產(chǎn)的事故。

轉(zhuǎn)爐變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用表明通過生產(chǎn)過程中風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速，既能保證轉(zhuǎn)爐的除塵要求，又能實現(xiàn)風(fēng)機(jī)節(jié)能，保證了風(fēng)機(jī)連續(xù)高效運行。同時風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，可以為現(xiàn)場工作人員及時準(zhǔn)確地提供風(fēng)機(jī)的狀態(tài)信息，提高了風(fēng)機(jī)運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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