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        高壓變頻技術(shù)在軌梁廠大功率風機上的應用

        2020-07-27 11:03:54劉自彩青海泉張劍峰
        四川冶金 2020年1期
        關(guān)鍵詞:擋板風量變頻

        劉自彩,青海泉,張劍峰,劉 琦

        (攀鋼集團攀枝花鋼釩股份有限公司軌梁廠,四川 攀枝花 617000)

        1 前言

        進入21世紀,如何做好提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本已成為鋼鐵企業(yè)生存的關(guān)鍵因素。將軟啟動技術(shù)改造為高壓變頻器啟動技術(shù),充分利用高壓變頻器和無速度傳感器矢量控制性能,使交流電機能夠接近于同功率直流電機的啟動力矩,解決了啟動困難問題,消除了電機啟動對供電電網(wǎng)的波動影響;在風量調(diào)節(jié)過程中,通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,替代現(xiàn)有調(diào)節(jié)風門擋板的方式,降低電機能耗[1],提升了企業(yè)設(shè)備裝備水平,同時創(chuàng)造較大的經(jīng)濟效益,為企業(yè)的長足發(fā)展提供有力保障。在攀鋼軌梁廠使用幾年來,節(jié)能效果良好,設(shè)備運行穩(wěn)定、安全可靠。

        2 大功率風機結(jié)構(gòu)、電機參數(shù)及存在的問題

        2.1 大功率風機結(jié)構(gòu)

        軌梁廠大功率風機是陜西鼓風機(集團)有限公司制造的AII系列離心鼓風機,風機系統(tǒng)由風機本體、軸承箱、電機、潤滑系統(tǒng)等構(gòu)成。風機本體由機殼、葉輪、傳動部件組成。其中機殼由蝸殼、進風口和出風口組成,在進風口處設(shè)置有調(diào)節(jié)門,調(diào)節(jié)門由電機驅(qū)動,通過位置反饋模擬量可以精確控制調(diào)節(jié)門的開度,其主要負責對進風量進行調(diào)節(jié)。傳動部件由主軸、軸承組成。軸承箱由軸承及底座組成,AII系列離心鼓風機采用兩個軸承箱作為風機支撐,其中非驅(qū)動端為支撐軸承箱,驅(qū)動側(cè)為止推軸承箱,兩套軸承箱采用的是滑動軸承。軸承箱上安裝有油位指示器、溫度檢測元件及震動檢測元件等。

        電機由本體、冷卻器及安裝底座構(gòu)成。電機與風機之間采用撓性聯(lián)軸器直連驅(qū)動,采用哈爾濱電機廠生產(chǎn)的YKS800系列高壓交流異步電動機。

        2.2 大功率風機電機參數(shù)

        大功率風機使用的是AII系列雙吸結(jié)構(gòu)離心鼓風機,具有兩進一出風口,兩端都有支撐軸承座,其相對于單吸離心風機,具有風量大、運行穩(wěn)定等特點,其風機型號為:AI8850-1.096/0.883; 主軸轉(zhuǎn)速: 1485 r/min; 軸功率: 3545 kw; 轉(zhuǎn)子GD2:6450 kg·m2。

        風機電機的設(shè)備參數(shù):電機型號:YKS800-4; 額定功率:4000 kw; 額定電壓:10 kV; 額定電流: 269 A;額定轉(zhuǎn)速:1490 r/min;相數(shù): 3;極數(shù): 4;防護等級: IP44;絕緣等級: F;冷卻方式: IC81W;轉(zhuǎn)子型式: 鼠籠;功率因數(shù): 0.88。

        2.3 風機驅(qū)動方式

        原風機電機驅(qū)動方式是采用高壓軟啟動降壓啟動,待風機啟動完成后,旁路接觸器合閘,切入工頻進行長期運行,其高壓驅(qū)動部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如1圖所示。

        圖1 風機高壓驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        2.4 風機負荷統(tǒng)計

        軌梁廠大功率風機根據(jù)軋制品種平均每月運行4次,每次運行平均時間為連續(xù)3天,即每月運行12天;其中啟動次數(shù)正常為4次,但由于各種問題,經(jīng)常導致風機不能正常啟動,通常每啟動2次會失敗1次。風機在運行時間內(nèi)平均作業(yè)率為70%,即風機每月平均工作時間為200小時。正常工作期間,風機流量通過入口風門擋板進行調(diào)節(jié),根據(jù)不同軋制品種,入口風門擋板開度位置在60%-100%之間進行調(diào)整。

        根據(jù)統(tǒng)計值,風門擋板開度每月有40%時間工作在100%位置,有60%時間工作在65%位置,即每月有80小時風機通風風量為100%,有120小時風機工作通風風量為70%。

        2.5 風機采用高壓固態(tài)軟啟動器啟動存在的問題

        攀鋼軌梁廠大功率風機采用高壓固態(tài)軟啟動器啟動方式,啟動電流大,在風機運行期間,風量通過調(diào)整風門擋板開口度的方式進行調(diào)節(jié),擋板開度經(jīng)常處于60%~80%之間運行,使大量的電能都浪費在擋板節(jié)流、介質(zhì)擾動和風壓損耗上,給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟負擔。

        2.5.1大電流啟動影響現(xiàn)場設(shè)備運行

        鼓風機高壓電機通過軟啟動方式啟動,啟動電流達1150-1300 A,且啟動時間長達40秒,由于上級變電站供電能力限制,在啟動過程中,電網(wǎng)電壓跌幅嚴重,不能同時滿足其它設(shè)備運行需求,出現(xiàn)了啟動鼓風機高壓電機必須停止熱軋線軋制的尷尬局面。

        2.5.2風機啟動困難

        高壓鼓風機電機為間歇性生產(chǎn)設(shè)備,在風機停止期間,由于電機及風機軸在重力作用下導致的軸擾度變形,致使啟動力矩增大,使用軟啟動方式,在啟動電壓區(qū)階段,電機輸出力矩不足以克服風機轉(zhuǎn)動力矩,如果調(diào)高啟動電壓,則又會導致啟動電流過大而斷路器跳閘,因此經(jīng)常出現(xiàn)風機停機幾天后再次啟動失敗的情況,且故障時間較多,給生產(chǎn)造成較大影響。

        3 大功率風機變頻改造的實施

        采用高壓變頻器技術(shù)改造現(xiàn)有的軟啟動技術(shù),利用高壓變頻器無速度傳感器矢量控制性能,在不損失電機啟動力矩的情況下,實現(xiàn)電機2倍額定電流的啟動,將消除電機啟動對于供電電網(wǎng)的影響,同時使風機啟動的成功率到達100%;通過對高壓變頻器的選型、參數(shù)選取,完成對電氣系統(tǒng)、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、功率單元構(gòu)成、輸入輸出側(cè)結(jié)構(gòu)、控制器、系統(tǒng)保護、散熱的設(shè)計,并對系統(tǒng)的安全性能實現(xiàn)最優(yōu)控制,達到了預期良好效果[2]。變頻器結(jié)構(gòu)及變頻器主回路結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

        圖2 交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)

        圖3 HV-IGBT三電平電壓源型變頻器主回路結(jié)構(gòu)

        3.1 高壓變頻器選型

        軌梁廠大功率風機的額定電壓10 kV,額定轉(zhuǎn)速1490 r/min,其電機為普通鼠籠式高壓電機,工作負荷為離心風機,根據(jù)電機的詳細參數(shù),本系統(tǒng)選擇單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器作為此次改造的變頻器類型。

        變頻器控制電機啟動時,在啟動電流不大于電機額定電流的啟動狀態(tài)下可以提供1.5倍額定轉(zhuǎn)矩,相對直接全壓啟動和軟啟動器啟動電流小、啟動曲線平滑、減少了機械沖擊,更大程度上改善了電機運行對電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響。變頻器的所有部件采用內(nèi)部連線,用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、AC220V控制電源和控制信號線;HARSVERT-A高壓變頻器采用“單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)”,該高壓變頻器適應于中國用戶電網(wǎng)工況,主電源+15%~-35%波動不停機,瞬時失電5個周期可滿載運行不跳閘,掉電20 s內(nèi)不會停機;輸入功率因數(shù)高,網(wǎng)側(cè)不需要添加功率因數(shù)補償裝置;電流諧波少,滿足國際、國家標準要求,對電網(wǎng)沒有諧波污染;輸出階梯正弦PWM波形,無須輸出濾波裝置,可接普通電機;對電纜、電機絕緣無損害,電機諧波少,減少軸承、葉片的機械振動,輸出線可以長達1000米[3]。

        3.2 主回路及控制系統(tǒng)設(shè)計

        3.2.1主回路設(shè)計

        系統(tǒng)主回路采用一拖一自動系統(tǒng)成套設(shè)計。系統(tǒng)由2個高壓斷路器QF1、QF2,變電所高壓斷路器QF,電動機M及高壓變頻器組成,如圖4所示。QF為現(xiàn)有10 kV變電所饋出斷路器 ,QF1,QF2進線隔離柜利用原軟啟動柜的兩個開關(guān)柜移位安裝在新的變頻器室[4]。

        圖4 主回路系統(tǒng)單線

        3.2.2控制系統(tǒng)設(shè)計

        對風機PLC控制系統(tǒng)進行了重新設(shè)計制造,使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加合理,操作布局更加人性化,解決現(xiàn)場積水對設(shè)備及電纜的影響問題;傳動系統(tǒng)采用了高壓變頻控制方式替換原軟啟動的控制方式,以達到確保風機可靠運行,避免風機運行影響電網(wǎng),同時提高了生產(chǎn)效率,降低了能耗,增強了系統(tǒng)的可靠性。

        3.2.3控制系統(tǒng)與主電路設(shè)計

        控制系統(tǒng)與主電路設(shè)計包括移相變壓器、功率單元和控制器三部分,如圖5、圖6所示。

        圖5 控制系統(tǒng)與主電路設(shè)計圖

        圖6 功率單元結(jié)構(gòu)

        當某一個單元出現(xiàn)故障時,通過繼電器K閉合,可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運行,變頻器可持續(xù)降額運行,如此可減少很多場合下停機造成的損失。

        圖7 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出的相電壓階梯PWM波形

        10 kV變頻器電網(wǎng)輸入側(cè)為三相10 kV,經(jīng)過移相變整流移相為8個獨立的低壓電源,每個二次電源接入功率電源模塊經(jīng)過整流、濾波以及逆變等輸出單相交流電(如圖7所示)。

        3.3 系統(tǒng)安全保護功能

        變頻器輕故障與重故障兩路信號為硬線進高壓開關(guān)柜,同時也送風機PLC系統(tǒng),變頻器重故障時,從PLC控制邏輯和硬線回路上同時動作,切斷高壓。(切斷進線側(cè)QF1及出線側(cè)QF2)。風機PLC邏輯控制中,對高壓開關(guān)柜QF1、QF2僅做故障狀態(tài)下的分斷高壓控制。如果變頻器允許合閘指令沒有檢測到,則邏輯上一直給出分斷指令,保證高壓柜在遠程狀態(tài)下不能合閘。每個功率單元帶三相輸入熔斷器保護。變頻裝置有過電壓,過電流,欠電壓,缺相,變頻器過載,變頻器過熱,電機過載等保護功能[7]。

        4 項目改造應用后效果分析

        4.1 改造后的節(jié)能效果

        4.1.1改造前的用電量

        根據(jù)調(diào)研情況,電機的效率η=96%,額定風量時風機的軸功率P1=3545 kW,風機在100%風量時月運行時間T1是80小時,在70%風量時月運行時間T0.7是120小時。根據(jù)計算在風門擋板控制的情況下,風機每月的用電量為66.888萬度。

        4.1.2改造后的用電量及效果

        采用變頻速度后進行風量控制,因電機的效率η=96%,額定風量時風機的軸功率P1=3545 kW,風機在100%風量時月運行時間T1是80小時,在70%風量時月運行時間T0.7是120小時。

        在變頻器進行速度調(diào)節(jié)控制下,每月電耗為45.372萬度,較之風門調(diào)節(jié),每月可節(jié)電21.516萬度,節(jié)電率達32%。

        改造后的效果:電價以0.71元/度計算,每年可節(jié)電費用為: 21.516×12×0.71=183.3163(萬元)。

        4.2 維護量減少

        采用變頻調(diào)速后,無論哪種工藝條件,隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作,通常情況下,變頻調(diào)速系統(tǒng)的應用主要是為了降低電機的轉(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低,相應地延長了許多零部件的壽命;同時極大的減輕了對管道的沖擊,有效延長了管道的檢修周期,減少了檢修維護費用,節(jié)約大量維護成本。

        4.3 工作強度降低

        由于調(diào)速系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控,完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作,大大降低了勞動強度,提高了生產(chǎn)效率,為優(yōu)化運營提供了可靠保證。

        4.4 減少了對電網(wǎng)的沖擊

        采用變頻調(diào)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(wǎng)無大的沖擊,減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對電機機械損傷,延長了電機的使用壽命。

        5 結(jié)語

        軌梁廠原提供熱處理風源的鼓風機高壓電機的啟動方式,采用的是軟啟動,風量通過調(diào)整風門擋板開口的方式進行調(diào)節(jié),使大量的電能都浪費在擋板節(jié)流、介質(zhì)擾動和風壓損耗上,增加了生產(chǎn)成本[8]。將原軟啟動方式改造為高壓變頻器啟動,充分利用高壓變頻器的無速度傳感器矢量控制性能,使交流電機能夠接近于同功率直流電機的啟動力矩,解決了啟動困難,消除電機啟動對供電電網(wǎng)的影響;在風量調(diào)節(jié)過程中,通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,降低了電機能耗,為企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟效益和提升了設(shè)備裝備水平[9]。

        采用變頻調(diào)速后,無論哪種工藝條件,隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作,通常情況下,變頻調(diào)速系統(tǒng)的應用主要是為了降低電機的轉(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低,相應地延長了許多零部件的壽命;同時減輕了對管道的沖擊,有效延長了管道的檢修周期,減少了檢修維護費用[10]。

        該項目實現(xiàn)自動運行和相應的保護及故障報警,操作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控,完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作,大大降低了勞動強度,提高了生產(chǎn)效率,為優(yōu)化運營提供了可靠保證,取得了較大的經(jīng)濟、社會效益。

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