李樹光++羅小武++鐘海兵

摘 要：方大特鋼煉鋼廠80萬除塵系統(tǒng)目前使用液力耦合器啟動(dòng)，該除塵風(fēng)機(jī)耗能量較大，且輸出功率不能自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)生產(chǎn)負(fù)荷的變化，只能通過手動(dòng)調(diào)整，這樣無疑降低了負(fù)載運(yùn)行效率，進(jìn)而在節(jié)流損失中浪費(fèi)了大量能源。該文中的幾種技術(shù)方案主要針對方大特鋼煉鋼廠節(jié)能改造的要求，系統(tǒng)地闡述了高壓變頻技術(shù)設(shè)計(jì)方案，并就方案應(yīng)用后的預(yù)期效果進(jìn)行了表述，以期為除塵風(fēng)機(jī)的變頻改造提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：除塵風(fēng)機(jī) 改造方案 節(jié)能 變頻器

中圖分類號(hào)：TM344 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0088-02

為響應(yīng)國家號(hào)召、實(shí)現(xiàn)單位節(jié)能降耗、提高煉鋼系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和安全可靠性，煉鋼廠二次除塵風(fēng)機(jī)擬采用全數(shù)字交流高壓變頻器作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。變頻器是電機(jī)調(diào)速的主要裝置，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)直接串聯(lián)于高壓電源與高壓電機(jī)之間，因現(xiàn)場改造、安裝方便及良好的調(diào)速和節(jié)能性能，在冶金行業(yè)的節(jié)能改造項(xiàng)目中得到了越來約廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)可以大大提升系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、減少因調(diào)節(jié)擋板和管道而導(dǎo)致的擋板和管道磨損、降低常停機(jī)檢修所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，這樣既可以滿足生產(chǎn)需求，又可以節(jié)約電能，同時(shí)還可以減少維護(hù)成本，從而達(dá)到通過改變設(shè)備運(yùn)行速度來調(diào)節(jié)現(xiàn)場所需風(fēng)壓、風(fēng)量的大小，同時(shí)增創(chuàng)煉鋼廠效益的最終目的。

1 方案設(shè)計(jì)目的

該技術(shù)方案主要針對方大特鋼煉鋼廠節(jié)能改造的要求，系統(tǒng)地闡述了高壓變頻技術(shù)設(shè)計(jì)方案，以便于進(jìn)行變頻改造。

方大特鋼煉鋼廠80萬除塵風(fēng)機(jī)參數(shù)（見表1）——目前為液耦調(diào)速運(yùn)行（共1臺(tái)）。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主回路控制方案

該方案是手動(dòng)旁路的典型方案。原理是由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS41、QS42和高壓開關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M組成（見圖1）。變頻運(yùn)行時(shí)，QS41和QS42閉合。高壓開關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M為現(xiàn)場原有設(shè)備。在檢修變頻器時(shí)，有明顯斷電點(diǎn)，能夠保證人身安全，同時(shí)也可手動(dòng)使負(fù)載投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行。改造時(shí)，將高壓變頻器串聯(lián)進(jìn)現(xiàn)有高壓開關(guān)柜與高壓電機(jī)之間，正常工作時(shí)采用變頻回路，QS1和QS2閉合。

對于設(shè)備配套的相應(yīng)高壓變頻器，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及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，不需要更換電機(jī)。

2.2 變頻器系統(tǒng)控制方案

2.2.1 系統(tǒng)控制方案

在母管上新增測壓點(diǎn)，能較為準(zhǔn)確地提供一個(gè)母管壓力值（此為4～20 ma信號(hào)）給變頻器，變頻器采用閉環(huán)控制方式，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)風(fēng)道所需壓力，進(jìn)行自動(dòng)的升降速的調(diào)整。例如，兩臺(tái)LF爐沒有煉鋼的時(shí)候，除塵閥門均關(guān)閉系統(tǒng)壓力會(huì)升高，變頻器接收到這個(gè)信號(hào)后，可自動(dòng)調(diào)整降低運(yùn)行頻率，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的壓力值。這樣既可滿足現(xiàn)場除塵的需要，又能夠節(jié)省大量的電能。

高壓變頻器和現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)硬接線連接的接口如下。

（1）需要提供的開關(guān)量輸出6路：①變頻器待機(jī)狀態(tài)：表示變頻器已待命，具備啟動(dòng)條件；②變頻器運(yùn)行狀態(tài)：表示變頻器正在運(yùn)行；③變頻器控制狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制，節(jié)點(diǎn)斷開表示變頻器控制權(quán)為本地變頻器控制；④變頻器輕故障：表示變頻器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；⑤變頻器重故障：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關(guān)斷輸出切斷高壓；⑥電機(jī)在工頻旁路：表示電動(dòng)機(jī)處于工頻旁路狀態(tài)。以上所有數(shù)字量采用無源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時(shí)有效。除特別注明外，接點(diǎn)容量均為AC220 V、3 A/DC24 V，1 A。

（2）變頻器需要提供的模擬量2路：①變頻器輸出轉(zhuǎn)速。②變頻器電機(jī)電流：變頻器提供2路4～20 mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負(fù)載能力均為250 Ω。

（3）需要提供給變頻器的模擬量1路：變頻器轉(zhuǎn)速給定值。現(xiàn)場提供1路4～20 mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須>250 Ω，4～20 mADC對應(yīng)轉(zhuǎn)速低高限，須呈線性關(guān)系。

（4）需要提供給變頻器的開關(guān)量有2路：①啟動(dòng)指令：干接點(diǎn)，3 s脈沖閉合時(shí)有效，變頻器開始運(yùn)行。②停機(jī)指令：干接點(diǎn)，3 s脈沖閉合時(shí)有效，變頻器正常停機(jī)。

2.2.2 變頻器與現(xiàn)場電源開關(guān)柜接口

（1）變頻器給高壓開關(guān)柜的有2路：①高壓緊急分?jǐn)啵鹤冾l器出現(xiàn)重故障時(shí)，自動(dòng)分?jǐn)喔邏洪_關(guān)，閉點(diǎn)有效；②高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)，具備上高壓條件，閉點(diǎn)有效。以上所有數(shù)字量采用無源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時(shí)有效。除特別注明外，接點(diǎn)容量均為DC220 V，3 A。

（2）高壓開關(guān)柜給變頻器的狀態(tài)信號(hào)1路：高壓開關(guān)分閘信號(hào)。高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r(shí)，輔助節(jié)點(diǎn)閉合；1個(gè)。

因80萬除塵風(fēng)機(jī)在遠(yuǎn)方操作室有上位機(jī)監(jiān)控，變頻器的操作監(jiān)控均可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)行遠(yuǎn)方變頻監(jiān)控。

2.3 原液耦調(diào)速方式改造方案

拆除原液耦，電機(jī)往前移。

3 方案應(yīng)用預(yù)期效果

3.1 節(jié)能分析

3.1.1 現(xiàn)場工況及負(fù)載技術(shù)數(shù)據(jù)

80萬除塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)：實(shí)際運(yùn)行電流180A，實(shí)際運(yùn)行電壓6 kV，實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)0.87，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速960 r/min，年運(yùn)行時(shí)間8000 h，年平均電價(jià)0.7元/度。

3.1.2 工頻狀態(tài)下的耗電量計(jì)算

電機(jī)耗電功率計(jì)算公式：Pd=×U×I×cosφ①

累計(jì)年耗電量公式：Cd=T×∑（Pd×δ）②

Pd：電動(dòng)機(jī)功率；Cd：年耗電量值；U：電動(dòng)機(jī)輸入電壓；I：電動(dòng)機(jī)輸入電流；cosφ：功率因子；T：年運(yùn)行時(shí)間；δ：單負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。endprint

通過計(jì)算可得：設(shè)備工頻運(yùn)行功率1708 kW；年耗電量13664000度，年耗電費(fèi)9564800元。

3.1.3 變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算

雖然二次除塵風(fēng)機(jī)采用液耦運(yùn)行，但是實(shí)際情況是液耦并沒有根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行調(diào)速，而是穩(wěn)定在85%的開度一直運(yùn)行。這樣的話在兩臺(tái)精煉爐非冶煉期間（約為整個(gè)所有周期的三分之一時(shí)間）有兩個(gè)出風(fēng)口關(guān)閉的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生電能的浪費(fèi)。所以變頻改造后，利用變頻器的自動(dòng)調(diào)整，節(jié)能共有兩個(gè)部分組成。

（1）對比液耦時(shí)變頻器的耗電量，計(jì)算如下：

③

其中為液耦時(shí)工頻功耗；為變頻時(shí)功耗；為風(fēng)機(jī)軸功率；為電機(jī)效率； 為液耦效率；為變頻器效率。

由液力耦合器的運(yùn)行特性可知，

④

其中為風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

累計(jì)年耗電量公式：Cb=T×∑（Pb×δ）⑤

其中，Cb：年耗電量值；為變頻時(shí)功耗；T：年運(yùn)行時(shí)間；δ：單負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。

（2）對于風(fēng)量減小時(shí)，變頻器的耗電量計(jì)算如下：

計(jì)算公式：⑥；

網(wǎng)側(cè)消耗功率：⑦

累計(jì)年耗電量公式：Cb=T×∑（Pb×

δ） ⑧

P'：風(fēng)機(jī)實(shí)際軸功率；P0：風(fēng)機(jī)額定軸功率；Cb：年耗電量值；'：風(fēng)機(jī)實(shí)際流量；0：風(fēng)機(jī)額定流量；H'：風(fēng)機(jī)出、入口壓力差；H0：風(fēng)機(jī)額定風(fēng)壓；T：年運(yùn)行時(shí)間；δ：單負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。

根據(jù)計(jì)算公式③～⑧，可得出變頻情況下負(fù)載的耗電量，如表2。

3.1.4 節(jié)能計(jì)算

年節(jié)電量：ΔC=Cd-Cb⑨；

節(jié)電率=（ΔC/Cd）×100%⑩

根據(jù)公式⑨⑩，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3。

3.2 其他預(yù)期效果

3.2.1 降低了維護(hù)成本

實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能改造后，不管是何種工藝條件，都能夠自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速以適應(yīng)系統(tǒng)工作的額定狀態(tài)。一般來講，變頻節(jié)能改造方案的設(shè)計(jì)目的是降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低可以延緩啟動(dòng)時(shí)間，延長各零部件的使用壽命，并且可以明顯降低電機(jī)沖擊，減少電機(jī)檢修的頻率，與之相應(yīng)的，也節(jié)約了大量的檢修開支，明顯降低了檢修維護(hù)的成本。

3.2.2 減小了工作強(qiáng)度

改造后的變頻調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)和備用設(shè)備之間建立了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組操作工作擺脫了手動(dòng)操控，實(shí)現(xiàn)了無人操作，系統(tǒng)可自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)檢測、自動(dòng)報(bào)警等，明顯節(jié)省了人力資源，減少了工作強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

3.2.3 延長了電網(wǎng)壽命

實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能改造后，系統(tǒng)啟動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)檐泦?dòng)，這種方式會(huì)使啟動(dòng)電流明顯低于額定電流，這樣就會(huì)延長系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而明顯降低了電網(wǎng)的沖擊和電機(jī)的機(jī)械損傷，同時(shí)延長了電網(wǎng)和電機(jī)的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 李海斌，施海強(qiáng).除塵風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)在宣鋼煉鋼廠的應(yīng)用[A].中國計(jì)量協(xié)會(huì)冶金分會(huì)2010年會(huì)論文集[C]，2010.

[2] 張燦，徐進(jìn)，黃文歡.高壓變頻器與液力耦合器調(diào)速的比較[J].煤礦現(xiàn)代化，2009（6）：65-66.

[3] 高大全，劉英，熊小剛，等.斬波內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)在鍋爐引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用性能分析[J].冶金自動(dòng)化，2011（4）：48-52.

[4] 張延平.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在四煉鋼除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用[A].中國機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)應(yīng)用國際會(huì)議（2009CCAMMS）論文集[C]，2009.

[5] 王賀岑，鄒文華，馬淮軍，等.風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能技術(shù)在火電廠的應(yīng)用研究[J].中國電力，2002（2）：73-77.

[6] 楊明清，陳學(xué)軍，韋澤.中壓變頻調(diào)速技術(shù)在轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用[A].2012年全國煉鋼—連鑄生產(chǎn)技術(shù)會(huì)論文集（上）[C]，2012.

[7] 任兆華，王君連，劉松斌，等.除塵風(fēng)機(jī)的高壓變頻節(jié)能改造[J].冶金自動(dòng)化，2011（1）：65-68.

[8] 孫國琴.發(fā)電廠風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速運(yùn)行比較[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（2）：128-131.endprint