胡慶保

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

硫酸車間SO2風(fēng)機是制酸工序的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)制酸四系列SO2風(fēng)機(額定功率2050kW)于2011年投入使用，設(shè)備在使用中主要存在以下情況：

（1）電機采用直接啟動對系統(tǒng)的沖擊。該風(fēng)機采用直接啟動方式，啟動時對電機及電機相連的機械部分軸與齒輪都會產(chǎn)生劇烈振動，使得電機系統(tǒng)機械磨損加劇，從而導(dǎo)致系統(tǒng)各機械部件及電機使用壽命的降低，而直接啟動時的大電流也會使電機系統(tǒng)產(chǎn)生較高溫度，進一步加劇系統(tǒng)各機械零部件的磨損，在2013年就因風(fēng)機軸承箱溫度過高而開蓋檢修。

（2）能耗。由于工藝對風(fēng)量的要求變動較大，而只能通過調(diào)節(jié)前導(dǎo)葉來控制風(fēng)量，造成了一直處在工頻運行的電機浪費了大量電能。

2 二氧化硫風(fēng)機系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

2.1 工頻運行狀態(tài)

通過現(xiàn)場調(diào)查，二氧化硫風(fēng)機在運行時入口導(dǎo)葉只開了一部分，由于采用導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，大部分能量都被導(dǎo)葉消耗，其開度越小消耗的能量就越多。在一般情況下采用導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的風(fēng)機其實際消耗功率與風(fēng)量大致成正比，與導(dǎo)葉的開度也大致成正比［1］。

歸納其具有以下特點：

（1） 風(fēng)機運行時的風(fēng)量只是額定風(fēng)量的一部分，風(fēng)機遠離額定點運行，其實際運行效率很低。

（2）由于導(dǎo)葉的存在，導(dǎo)葉前后存在壓差，消耗了部分能量。

（3）因?qū)嶋H所需風(fēng)量低于額定風(fēng)量，風(fēng)機在配備電動機的時候，電動機的功率有。

導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方式雖然簡單易行，并已成為習(xí)慣，但它是以增加管網(wǎng)消耗、耗費大量能源為代價的。當采用變頻調(diào)節(jié)時，其效率最高，因為風(fēng)量隨轉(zhuǎn)速的一次方下降，而其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方下降，目前最優(yōu)方案就是采用交流變頻調(diào)速控制技術(shù)［2］。

2.2 風(fēng)機運行數(shù)據(jù)

表1 四系列KKK風(fēng)機運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)

3 改造方案

3.1 風(fēng)機變頻調(diào)速的改造方案

（1）電氣改造內(nèi)容：①由于系統(tǒng)對連續(xù)運行安全性能要求較高，為了便于日常維護及故障應(yīng)急處理，故采用中壓變頻器外加工頻旁路的方案。②利用原電機啟動斷路器柜作為整個系統(tǒng)的總電源柜，整個系統(tǒng)的綜保裝置利用原電源柜的綜保裝置。③增加中壓變頻器及變頻器進、出線斷路器柜，柜內(nèi)不設(shè)綜保裝置。開關(guān)柜與變頻器一起安裝于風(fēng)機房內(nèi)，并為其搭建一間變頻器配電室。運行時房間封閉，內(nèi)置空調(diào)，采用內(nèi)循環(huán)散熱。

（2）DCS 改造內(nèi)容：DCS具有對新增的開關(guān)柜與變頻器的監(jiān)示與控制功能，并增加通訊與輸入輸出模塊。

3.2 節(jié)能原理分析

采用變頻調(diào)速方法節(jié)能的原理是基于風(fēng)量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：

式中:Q——風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比；

H——壓力與轉(zhuǎn)速的2次方成正比；

P——軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比 (粗略計算P=HQ/102) ；

T——轉(zhuǎn)矩；

n——轉(zhuǎn)速。

圖1 風(fēng)機工作特性圖

風(fēng)機的工作介質(zhì)是氣體， 工藝上的應(yīng)用通常是調(diào)節(jié)風(fēng)量， 風(fēng)機全速運行， 正常工作點為A， 風(fēng)門關(guān)小， 風(fēng)阻特性曲線由曲線2移至曲線4， 工作點移至B點， 風(fēng)壓為H2， 消耗功率與面積OQ2BH2成正比。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速， 風(fēng)門全開， 轉(zhuǎn)速減少后， 風(fēng)壓特性由曲線 1 移至曲線 3， 工作點移至 C 點 ， 風(fēng)壓為 H3， 消耗功率與面積OQ2CH3成正比。對比以上兩者可知，節(jié)約功率與面積H3CBH2成正比?？梢?，節(jié)能效果相當可觀［3］。

4 變頻器的改造設(shè)計

4.1 系統(tǒng)主回路

如圖2。原系統(tǒng)采用的直接啟動及運行方式將被變頻器啟動及運行方式所取代，考慮到系統(tǒng)對連續(xù)運行安全性能要求較高，為了便于日常維護及故障應(yīng)急處理，采用了中壓變頻器外加工頻旁路的方案。

圖2 變頻改造主回路

4.2 電氣改動

（1）利用原電機啟動斷路器柜作為旁路斷路器柜，旁路柜的主回路接線和綜保設(shè)定保持不變，啟?？刂撇糠中枳錾倭啃薷?。

（2）增加變頻器輸入斷路器柜，安裝于現(xiàn)場。

（3）增加變頻器出線斷路器柜，安裝于現(xiàn)場，可于變頻器安裝在一起。柜內(nèi)不需要綜保裝置。

（4）增加中壓變頻器，采用AB品牌的PF7000系列變頻器。

4.3 高壓變頻器主要特點

單元串聯(lián)多電平直接高壓變頻器主要有以下特點：

（1）一體化設(shè)計，安裝調(diào)試簡單；

（2）無須更改原有電機，可實現(xiàn)工頻切換；

（3）不需另加升壓變壓器、輸人濾波器、輸出濾波器，電抗器、功率因數(shù)補償裝置和緩沖電路等附加電路;

（4）諧波污染極小，對周圍設(shè)備無電磁干擾;（5）功率因數(shù)高、效率高;

（6）各類保護完善，操作簡單，運行穩(wěn)定可靠［4］。

4.4 變頻改造后可能會遇到的改造問題

采用變頻模式與原方式最大的不同就是風(fēng)機和電機速度可變，因為原設(shè)計有些設(shè)備對運行轉(zhuǎn)速有一定要求，變頻改造后有可能會出現(xiàn)問題，需要同時進行整改：

（1） 風(fēng)機的潤滑油系統(tǒng)：

風(fēng)機潤滑系統(tǒng)主油泵連接于風(fēng)機主軸，風(fēng)機慢速工作時，會造成主油泵供油不足。此時輔助油泵將不在僅用于風(fēng)機啟停時，也將用于風(fēng)機低速運行狀態(tài)。而判斷的條件應(yīng)該是潤滑油壓。目前系統(tǒng)標配一臺輔助油泵，為確保設(shè)備安全順行，需要增加一臺備用泵。

（2）電機的散熱及潤滑:

電機的風(fēng)扇安裝于電機主軸，電機低速運行時可能造成風(fēng)扇風(fēng)量不足，因此電機散熱問題取決于電機工作的速度區(qū)間。在不對電機內(nèi)部散熱進行修改的前提下，可以先調(diào)節(jié)前導(dǎo)葉，使電機工作在相對的高速的區(qū)間，以滿足散熱要求。如果散熱仍無法滿足，可以考慮對電機作散熱的物理改造。電機潤滑為自供給系統(tǒng)，也依賴于電機的高速運行狀態(tài)，為了滿足低速運行要求，可以將風(fēng)機輔助潤滑系統(tǒng)同時接入電機潤滑系統(tǒng)。

新增加的變頻器控制部分將接入到DCS，由DCS系統(tǒng)控制。DCS 系統(tǒng)程序?qū)黾痈喙δ?，既要兼容旁路運行導(dǎo)葉調(diào)節(jié)模式，也需要實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)為主，導(dǎo)葉調(diào)節(jié)為輔的工作模式。

（3）風(fēng)機轉(zhuǎn)速的下降可能會導(dǎo)致進出口管道壓力及氣流的變化，這也是可能需要前導(dǎo)葉配合的原因，具體操作模式的制定，還需要工藝系統(tǒng)的工程師進行分析和處理［5］。

5 DCS信號調(diào)試

5.1 風(fēng)機原有信號

風(fēng)機原設(shè)計為直接啟動，直接由配電室QF0合閘來啟動風(fēng)機，風(fēng)機與DCS之間的聯(lián)絡(luò)信號如下：

（1） 緊急停車信號：安裝在中控室，由硬線連接緊急停車按鈕和QF0，按下緊急停車按鈕后直接將QF0分閘。

（2）DCS連鎖信號，由硬線連接DCS和QF0，當發(fā)生工藝連鎖或風(fēng)機溫度、振動、油壓連鎖，立即由DCS發(fā)信號將QF0分閘。

（3）風(fēng)機運行信號，由硬線連接QF0和DCS，將QF0的合閘信號直接傳給DCS，使用常開觸點。用于判斷風(fēng)機是否運行，參與全廠連鎖。

5.2 風(fēng)機變頻改造后信號

除原邏輯、信號保留外，另外新增了以下聯(lián)絡(luò)信號:

（1）新增DCS連鎖信號至變頻器，由硬線連接DCS和變頻器當發(fā)生工藝連鎖或風(fēng)機溫度、振動、油壓連鎖，立即由DCS發(fā)信號停止變頻器。

（2）變頻器故障、運行信號，由硬線連接變頻器和DCS，信號反應(yīng)在DCS畫面中，僅用于顯示，未參與程序。

（3）變頻器緊急停車按鈕，安裝在中控室，由硬線連接緊急停車按鈕和變頻器，按下緊急停車按鈕后直接將變頻器停止。

6 節(jié)能分析

風(fēng)機經(jīng)過2016年年修中的優(yōu)化后，實現(xiàn)了完全的變頻調(diào)速，即入口導(dǎo)葉開至100%，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量。具體節(jié)能情況如下：

6.1 未安裝變頻器運行

由表2可以看出，在沒有安裝變頻器的情況下，2015年3月23日至2015年12月31日，共283天，共耗電950萬kW·h。

平均每天耗電量為：

平均每月耗電量為：

表2 2015年風(fēng)機運行消耗電能

6.2 變頻運行后

由表3可以看出，在變頻運行模式下，2016年12月1日至2017年1月5日共計35天，共耗電98.96萬kW·h。

平均每天耗電量為：

平均每月耗電量為：

根據(jù)計算，目前該風(fēng)機每天可節(jié)電3.3569-2.8275=0.5294萬kW·h，每年（360天）可節(jié)電0.5294*360=190.584萬kW·h。

表3 2016年調(diào)頻風(fēng)機運行消耗電能

7 結(jié)束語

變頻器調(diào)速不僅具有良好的可靠性、較寬的調(diào)速范圍且調(diào)速曲線平滑能滿足工藝要求，較小的啟動電流亦可以減少對電網(wǎng)的沖擊。變頻系統(tǒng)各種保護功能可靠，從而消除了因電機過載或單相運行而燒毀電機的現(xiàn)象，確保了安全運行。改造后，精簡了控制程序，使操作更加方便，提高了生產(chǎn)效率，從而達到了節(jié)能降耗的目的。其綜合效益是特別明顯的。