劉忠明

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

0 引言

燒結(jié)廠中最關(guān)鍵的負(fù)載是燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)。大型燒結(jié)機(jī)主抽風(fēng)機(jī)多數(shù)選用西門子公司的高壓無刷同步電機(jī)作為動(dòng)力。如何實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦的生產(chǎn)工作，主要是將燃料、助焊劑及含鐵原料等按照一定比例進(jìn)行混合攪拌，再施水潤濕后，置于燒結(jié)機(jī)上，自上而下點(diǎn)火燒結(jié)。主抽風(fēng)機(jī)最大功能就是利用煙道實(shí)現(xiàn)抽風(fēng)，然后使得混合料中的固體燃料達(dá)到充分、完全地燃燒，最后達(dá)到燒結(jié)目的，燒結(jié)過程中產(chǎn)生的廢氣利用脫硫塔及煙道等由煙囪排放（圖1）。燒結(jié)過程中，主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓的變化對(duì)其影響較大，因此，精確控制燒結(jié)過程的風(fēng)量和風(fēng)壓，不但有利于燒結(jié)過程的穩(wěn)定性，而且還有效降低燒結(jié)能耗。

圖1 燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 京唐燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)運(yùn)行分析

1.1 風(fēng)機(jī)、電機(jī)配置及控制原理

首鋼京唐燒結(jié)廠現(xiàn)有4臺(tái)主抽風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)配套9375 kW高壓同步電機(jī)，總?cè)萘?7 500 kW。主抽風(fēng)機(jī)電機(jī)為無刷同步電機(jī)，采用2拖4的變頻軟起動(dòng)。電機(jī)、勵(lì)磁、變頻軟啟動(dòng)系統(tǒng)均為西門子公司配套產(chǎn)品，勵(lì)磁與變頻軟啟動(dòng)之間控制通過Profibus通訊實(shí)現(xiàn)。如果要啟動(dòng)1#主抽風(fēng)機(jī)，需在1#勵(lì)磁控制柜上首先選擇1#或2#變頻；再在勵(lì)磁控制柜上點(diǎn)啟動(dòng)，勵(lì)磁系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、相關(guān)開關(guān)柜自動(dòng)按程序動(dòng)作，待變頻系統(tǒng)判斷輸出頻率與工頻頻率一致時(shí)，則進(jìn)行變頻切工頻，實(shí)現(xiàn)一鍵軟啟動(dòng)完成。勵(lì)磁采用恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)方式，勵(lì)磁電流大小通過勵(lì)磁柜內(nèi)部PID（Proportional-Integral-Derivative，比例-積分-微分）調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)機(jī)變頻軟啟動(dòng)之后切換至旁路工頻運(yùn)行，主抽風(fēng)量靠風(fēng)機(jī)風(fēng)門調(diào)節(jié)。

1.2 燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況

燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)入口導(dǎo)葉開度基本上在30豫～70豫，大部分時(shí)間在40%～70豫，平均開度55豫，運(yùn)行功率7000 kW左右。實(shí)際運(yùn)行中，入口導(dǎo)葉開度最大70%，運(yùn)行最大功率的電機(jī)輸入功率8300 kW，電流約560 A。

在燒結(jié)過程中，原料和工況的變化較為常見。為了實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過程中風(fēng)量的變化，多數(shù)采用改變主抽風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開度來實(shí)現(xiàn)，但這種調(diào)節(jié)方式有缺點(diǎn)：淤要想達(dá)到速度的精確控制，不能根據(jù)燒結(jié)料層的厚度和料層透氣性來改變變頻無極調(diào)速，也不能使風(fēng)扇達(dá)到運(yùn)行效果；于主抽風(fēng)機(jī)的門開度一般控制在30%～70%（甚至低于30%），過程中一旦發(fā)生擋板截流，很可能造成不必要的浪費(fèi)和電能損失；盂多數(shù)為低負(fù)荷運(yùn)行工況，設(shè)備負(fù)荷得不到有效利用，風(fēng)機(jī)效率低下；榆自動(dòng)化程度低，對(duì)風(fēng)量的控制精度達(dá)不到使用要求；虞變頻調(diào)速是目前國際上公認(rèn)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性最有效的控制手段，該控制方法具有效率高、精度高、節(jié)能等特點(diǎn)。

因此，采用變頻調(diào)速對(duì)燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，是目前最好的節(jié)能方式。

2 京唐燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行分析

2.1 變頻節(jié)能原理

從流體力學(xué)的觀點(diǎn)來看，三相異步電機(jī)不但可以推動(dòng)水泵負(fù)載，而且也可以推動(dòng)二次方轉(zhuǎn)矩的風(fēng)機(jī)。其中流量Q、壓力H和電機(jī)軸功率P存在P菸Q伊H的關(guān)系。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從n1轉(zhuǎn)變?yōu)閚2時(shí)，其中P，Q，H以及n之間關(guān)系如下。

從以上3個(gè)關(guān)系式可以看出，電機(jī)Q同n是正比關(guān)系，軸功率P同所需n的三次方成正比。變頻器通常是利用風(fēng)機(jī)電機(jī)來調(diào)節(jié)頻率大小，進(jìn)而達(dá)到對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。例如，將額定流量值調(diào)節(jié)至80%，只有將電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整到額定速度的80%方可實(shí)現(xiàn)，即頻率調(diào)整到40 Hz。此外，功率只有之前的51.2%?？紤]到減速后的效率會(huì)降低和調(diào)速裝置的附加損耗，分析數(shù)據(jù)得出，風(fēng)機(jī)可利用速度調(diào)節(jié)達(dá)到節(jié)能20%～50%的效果，部分風(fēng)機(jī)負(fù)載可節(jié)省60%以上能量。

2.2 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能分析

式中P2——代表變換后單負(fù)載的變頻運(yùn)行功率；

Q——代表單個(gè)負(fù)載的運(yùn)行流量，m3/h；

H——代表單個(gè)負(fù)載的運(yùn)行壓力，Pa

濁2——代表風(fēng)機(jī)效率，變換后取效率最大峰值，范圍一般在 0.83～0.86

濁——代表變頻裝置效率，通常為0.96從以上公式可以看出，變頻調(diào)速節(jié)能點(diǎn)主要有2個(gè)：淤采用變頻調(diào)速裝置，入口風(fēng)門全開，從而減少管網(wǎng)阻力和摩擦，降低管網(wǎng)功耗，從流體力學(xué)變頻原理分析出發(fā)減少的風(fēng)機(jī)軸功率；于提高風(fēng)機(jī)的效率，從而減少了輸入功率和軸功率

2.3 主抽風(fēng)機(jī)同步電機(jī)變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)

2.3.1 解決大型同步電機(jī)啟動(dòng)問題

大功率同步電機(jī)存在啟動(dòng)困難、控制復(fù)雜、沖擊電流大，容易振蕩與失步等難題，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，采用先投勵(lì)磁，在同步機(jī)內(nèi)建立磁場(chǎng)，變頻再輸出一定的直流電壓，定子產(chǎn)生一定的直流電流，并建立磁場(chǎng)。定轉(zhuǎn)子在相互電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子磁極向定子磁機(jī)的異性短靠近，最后輸出低頻交流電壓，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，經(jīng)過整步，轉(zhuǎn)子很快跟隨定子電壓頻率開始旋轉(zhuǎn)。這種通過變頻電源頻率的平滑調(diào)節(jié)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升，實(shí)現(xiàn)真正意義上的軟起動(dòng)。整個(gè)啟動(dòng)控制過程無沖擊，操作簡便。

2.3.2 解決振蕩和失步問題

采用先進(jìn)的自適應(yīng)控制技術(shù)，有效、精準(zhǔn)地控制輸出速度，不需要調(diào)整勵(lì)磁柜的勵(lì)磁電流。隨著頻率的變化，速度也隨之發(fā)生改變，不僅解決振蕩和失步問題，而且還使控制模式更加便捷可靠。

3 京唐燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行實(shí)現(xiàn)

人們?cè)?jīng)認(rèn)為，燒結(jié)廠主抽風(fēng)機(jī)功率很大，徹底改造的難度很大、花費(fèi)時(shí)間長，而且風(fēng)險(xiǎn)高，還有可能造成改造機(jī)罷工停機(jī)的狀態(tài)，從而導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)停產(chǎn)。從太鋼煉鐵廠450 m2燒結(jié)機(jī)主抽風(fēng)機(jī)變頻改造來看，通過精心組織、周密計(jì)劃，盡量減少控制改動(dòng)，始終貫徹執(zhí)行安全性、可靠性、既要經(jīng)濟(jì)性又要優(yōu)質(zhì)質(zhì)量的方針原則，細(xì)致分析配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、一次回路的選擇等通風(fēng)散熱解決對(duì)策，可以在改造過程中保證原系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在最短的時(shí)間內(nèi)完成燒結(jié)主抽變頻運(yùn)行整體改造。

3.1 電氣回路改造

1#和2#主抽2臺(tái)主抽風(fēng)機(jī)變頻改造電氣回路構(gòu)成：不僅包括2臺(tái)高壓大功率變頻器、高壓開關(guān)柜數(shù)量9臺(tái)，而且還包括1#和2#燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、1套高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)，此外還有勵(lì)磁柜數(shù)量2個(gè)、低壓配電柜數(shù)量4臺(tái)以及“空水冷”散熱裝置。

該方案所選用的模式為“自動(dòng)二拖二”，能達(dá)到任意一臺(tái)變頻器對(duì)任意一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，達(dá)到“軟啟動(dòng)”效果。任何電機(jī)都可以從工頻運(yùn)行切換到任意變頻器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變頻操作的過程，任意一臺(tái)變頻器可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)任意一臺(tái)電機(jī)去完成變頻器切換到不同母線下的工頻操作。這2個(gè)變頻器互為備用，永遠(yuǎn)保持著變頻器冗余備份，保證出現(xiàn)異常時(shí)機(jī)器仍可以正常運(yùn)行。

3.2 上位DCS和MCC改造

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文Distributed Control System的縮寫，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)，MCC則是電機(jī)控制中心Motor Control Center的縮寫。預(yù)計(jì)通過4層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)的控制，并通過第一層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與整個(gè)燒結(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具體設(shè)置如下。

（1）第一層網(wǎng)絡(luò)。使用原有的燒結(jié)系統(tǒng)去控制網(wǎng)絡(luò)，一定要按照燒結(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所規(guī)定的固定網(wǎng)址去操作執(zhí)行，最大限度的發(fā)揮 AC01/AC02機(jī)柜 CPU315—2DP獨(dú)立 Profibus DP模塊CP32—5來完成。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了控制系統(tǒng)的硬件改造，用過去的獨(dú)立CPU（Central Processing Unit，中央處理器）被ET200M所取代，成為AC01/AC02的遠(yuǎn)程變電站。由于AC01/AC02與中央控制系統(tǒng)之間的布線距離應(yīng)控制在200 m以內(nèi)，因此，采用Profibus DP 1.5 M/S來實(shí)現(xiàn)通信。

（2）第二層網(wǎng)絡(luò)。三組 PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）與1臺(tái)計(jì)算機(jī)、3臺(tái)觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CPU（Central Processing Unit，中央處理器）連接到網(wǎng)絡(luò)主要利用3個(gè)CP342—5 Profibus-DP模塊來完成。其功能進(jìn)行觸摸屏與PLC之間的數(shù)據(jù)連接。

（3）第三層網(wǎng)絡(luò)。通過MPI（Multi Point Interface，信息傳遞接口）傳輸全局變量，實(shí)現(xiàn)3套PLC之間的數(shù)據(jù)交換。

（4）第四層網(wǎng)絡(luò)。利用擴(kuò)充導(dǎo)軌的辦法只能夠?qū)崿F(xiàn)近距離的擴(kuò)充3個(gè)導(dǎo)軌，所以第四層網(wǎng)絡(luò)是通過從站方式構(gòu)建的。

AC01與1個(gè)80 m遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程從站ET200M、1個(gè)就地從站ET200M以及采集高壓工頻柜的保護(hù)裝置UMG511共同作用才能完成數(shù)據(jù)交換，進(jìn)入邏輯控制。

AC02和遠(yuǎn)程從站從ET200站，遠(yuǎn)程80 m從站ET200M和保護(hù)高壓工頻柜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，進(jìn)入邏輯控制。

AC03完成與本地從站ET200M和150 m遠(yuǎn)程從站ET200M（水泵房）的數(shù)據(jù)交換。

以上網(wǎng)絡(luò)都可以利用DP實(shí)現(xiàn)通信連接。通過增加ET200M的優(yōu)點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)從站的可擴(kuò)充性，而且增強(qiáng)了遠(yuǎn)程擴(kuò)展。

4 主抽風(fēng)機(jī)預(yù)期改造效果

變頻成功改造后，可實(shí)現(xiàn)主抽風(fēng)機(jī)匹配電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，使風(fēng)量穩(wěn)定，可以讓操作人員達(dá)到精確控制的目的，提高燒結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，提高燒結(jié)效率。此外，通過不斷優(yōu)化調(diào)整風(fēng)量、風(fēng)壓、溫度等燒結(jié)參數(shù)，有助于提升燒結(jié)礦質(zhì)量。

5 結(jié)束語

燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)采用變頻改造后，一方面改善了電機(jī)的啟動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)軟啟、停功能，延長電機(jī)的壽命，而且減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊；另一方面，主抽風(fēng)機(jī)可根據(jù)材料層的厚度和燒結(jié)材料層的透氣性來調(diào)節(jié)變頻速度，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行達(dá)到最佳工況點(diǎn)，運(yùn)行節(jié)電率可達(dá)20%以上。特別是在減產(chǎn)運(yùn)行等的情況下，可調(diào)速至最小功率，更加體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

近年來，節(jié)能已成為鋼鐵冶金企業(yè)發(fā)展過程中重點(diǎn)關(guān)注的課題。在京唐公司的大型燒結(jié)機(jī)主抽風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，選用同步電機(jī)配套高壓變頻控制技術(shù)，不但節(jié)約用電、操作成本低、系統(tǒng)安全可靠，同時(shí)具有易于保養(yǎng)維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。采用這種技術(shù)，國內(nèi)類似技術(shù)企業(yè)都可以達(dá)到節(jié)省約20%的電力。