李成學 王立平

(云南錫業(yè)股份有限公司銅業(yè)分公司， 云南 蒙自 661019)

0 前言

云錫10萬t/a銅冶煉項目于2012年3月建成投產(chǎn)。項目主工藝流程采用領(lǐng)先世界的“頂吹熔煉-頂吹吹煉-陽極爐精煉-永久不銹鋼陰極工藝電解精煉”，其煙氣制酸系統(tǒng)采用兩轉(zhuǎn)兩吸工藝。項目投產(chǎn)后，年產(chǎn)電解銅10萬t，硫酸44萬t。制酸SO2風機是整個煙氣制酸系統(tǒng)的最關(guān)鍵設(shè)備。本文分析了制酸SO2風機存在的問題，基于變頻調(diào)速原理對制酸SO2風機進行了節(jié)能改造。

1 制酸SO2風機改造前存在問題

1.1 硫酸SO2風機型號及規(guī)格

考慮到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行以及生產(chǎn)波動的需要，煙氣制酸系統(tǒng)配置了一臺西門子(STE)離心風機，即KK&K風機。該風機為單級壓縮，垂直剖分結(jié)構(gòu)，運行方式為工頻軟啟動運行，由恒速電機通過增速齒輪箱驅(qū)動，風量的調(diào)節(jié)通過前導向葉片的調(diào)節(jié)(IGV) 來實現(xiàn)。制酸SO2風機型號及規(guī)格見表1。

表1 制酸SO2風機型號及規(guī)格

1.2 設(shè)計工況

煙氣制酸系統(tǒng)接收由銅冶煉熔煉爐、吹煉爐和沉降電爐匯集而來的高濃度SO2煙氣。在風機選型中充分考慮了系統(tǒng)擴產(chǎn)的需要以及經(jīng)濟性和合理性，選擇了比適應10萬t/a銅規(guī)模稍大的風量和風壓(放大設(shè)計余量約15%)。當銅產(chǎn)量擴到15萬t/a時，風機滿負荷運行，完全可以適應煙氣條件的變化，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)幾乎不用做改造，就可以過渡到15萬t/a的生產(chǎn)規(guī)模。制酸SO2風機設(shè)計工況見表2。

1.3 實際工況

目前，在10萬t/a銅規(guī)模下，因雙頂吹煉銅工藝各種復雜工況下的煙氣量變化，煙氣制酸系統(tǒng)總煙氣量發(fā)生波動，雙頂吹煉銅工藝實際工況見表3。從表3可以看出，實際生產(chǎn)中，某個時刻可能只開一個爐子(有煙氣)，或同時開兩個爐子(有煙氣)，也可能是兩個爐子都不開(無煙氣)。因此雙頂吹煉銅工藝為后續(xù)煙氣制酸系統(tǒng)生產(chǎn)提供的高濃度SO2煙氣是不均衡的。

表3 雙頂吹煉銅工藝實際工況

實際生產(chǎn)運行中，制酸SO2風機存在以下問題：1)風機效率低，運行偏離最佳工況點；2)啟動對電機和電網(wǎng)沖擊大，故障率高；3)前導向葉片節(jié)流調(diào)節(jié)能耗損失大；4)煙氣制酸系統(tǒng)生產(chǎn)工藝要求每當制酸SO2風機有較長時間的停機后，再次啟動風機，轉(zhuǎn)化器必須要有96～120 h的升溫時間，才能把溫度升高到420 ℃左右，滿足銅冶煉煙氣制酸的條件。此時要求的風量較小，風壓較低(打開升溫副線閥抽氣，系統(tǒng)沒有銅冶煉煙氣)。由此可見，煙氣制酸系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，存在著較大的節(jié)能空間。若采用變頻調(diào)速的控制方式來調(diào)整制酸SO2風機的轉(zhuǎn)速，則可以根據(jù)不同工況下的制酸煙氣量和壓力，調(diào)整風機的轉(zhuǎn)速。

2 制酸SO2風機改造方案

2.1 變頻調(diào)速原理

異步電機的轉(zhuǎn)速[1]由式(1)決定。

(1)

式中：n——轉(zhuǎn)速，r/min；

f——電源頻率，Hz；

S——轉(zhuǎn)差率；

p——電機極對數(shù)。

由式(1)可知，轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，即改變電源頻率就可改變轉(zhuǎn)速。根據(jù)這一原理，用變頻器作為變頻電源來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速不存在勵磁滑差損耗和前導向葉片節(jié)流功率損耗，也不存在轉(zhuǎn)差損耗，因此節(jié)能效果良好，而且電機調(diào)速范圍大，可在0%～100%范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無級調(diào)速。此外，采用變頻調(diào)速對制酸SO2風機進行改造，無需更換電機，控制方式更加靈活。

2.2 變頻調(diào)速節(jié)能原理

根據(jù)流體機械相似性原理，流體流量和轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力和轉(zhuǎn)速的平方成正比，所需軸功率則和轉(zhuǎn)速的立方成正比[1-2]，即：

(2)

(3)

(4)

式中：Q1、Q2——流量，m3/min；

p1、p2——壓力，Pa；

N1、N2——功率，kW；

n1、n2——轉(zhuǎn)速,r/min。

因此，當煙氣制酸系統(tǒng)生產(chǎn)工藝減少煙氣流量時，調(diào)小轉(zhuǎn)速可使軸功率降低很多，從而可以節(jié)約大量的電能。

2.3 變頻調(diào)速方案確定

根據(jù)現(xiàn)場實際運行要求，以產(chǎn)品功能完善、運行安全可靠為原則，制酸SO2風機高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造選用北京利德華福一臺額定功率6 000 kW、額定電壓10 kV的高壓變頻器，采用“一拖一手動旁路”結(jié)構(gòu)。高壓變頻器采用DCS“遠程”控制方式，從制酸主控室DCS系統(tǒng)畫面設(shè)定電機頻率，通過變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)模塊對電機轉(zhuǎn)速形成自動控制。當電機的負荷變化時，可以方便地通過改變電機的供電頻率控制電機轉(zhuǎn)速，最后達到控制風機風量，使制酸SO2風機流量保持在設(shè)定值的目的。風機變頻調(diào)速接線方式如圖1所示。

QF-高壓配電柜；QS1、QS2、QS3、QS4-高壓隔離開關(guān)圖1 制酸SO2風機變頻調(diào)速系統(tǒng)一次接線方案

風機變頻調(diào)速系統(tǒng)由高壓配電柜、高壓變頻器、高壓隔離開關(guān)、電機組成。高壓隔離開關(guān)帶電部分安裝在旁路柜內(nèi)，保證任何物體和人員不會因意外而觸電。高壓隔離開關(guān)QS2、QS4不能同時閉合，在機械和電氣上實現(xiàn)互鎖；高壓隔離開關(guān)QS1、QS3也有機械和電氣互鎖。變頻器退出運行(故障或檢修)時，通過手動方式使隔離開關(guān)作相應操作，將電機負載轉(zhuǎn)入工頻電網(wǎng)，切開變頻調(diào)速系統(tǒng)，恢復原來的工頻運行方式[3-4]。

為了實現(xiàn)對變頻器的保護，變頻器對現(xiàn)場高壓配電柜進行連鎖，一旦變頻器出現(xiàn)重故障，變頻器發(fā)出命令，跳開高壓配電柜。電機工頻運行時，變頻器撤消對高壓配電柜的跳閘信號，使電機能正常通過高壓配電柜合閘進行工頻軟啟動。

3 改造后效果

3.1 安裝調(diào)試

2017年年度停產(chǎn)檢修期間，對制酸SO2風機高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進行了改造安裝。安裝完畢后進行了一系列的調(diào)試試驗，運行數(shù)據(jù)見表4。

表4 高壓變頻器節(jié)能效果運行數(shù)據(jù)

從表4可以看出，改造后的變頻調(diào)速風機具有較好的節(jié)能效果，特別在風機低流量時，節(jié)能效果更明顯。根據(jù)2017年5月26日至6月12日正式帶煙氣負載以來的數(shù)據(jù)分析(經(jīng)改造安裝的電能表計數(shù)統(tǒng)計)，制酸SO2風機共運行408 h，已經(jīng)節(jié)約電能382 312 kW·h，節(jié)電率高達29.38%。若按照一個月的節(jié)電數(shù)據(jù)來平均，節(jié)電率將有所下降，但保守估計，15%左右的節(jié)電率是有保證的。除此之外，由于變頻器的投入，風機10 kV電源支線的功率因數(shù)從0.9提高到0.98，減少了該支路的無功損耗，節(jié)能效果較好。

3.2 正常運行

調(diào)試試驗完成后，制酸SO2風機高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)正式投用。經(jīng)過兩年多的生產(chǎn)實踐應用，設(shè)備性能穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯著，達到了預期的效果。制酸SO2風機高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)滿足雙頂吹煉銅工藝的生產(chǎn)實際要求，具有以下優(yōu)點：1)效率提高，能耗降低；2)降低啟動對電機和電網(wǎng)的沖擊，故障率低；3)動態(tài)響應速度快，調(diào)節(jié)線性度好。

經(jīng)統(tǒng)計，制酸SO2風機采用變頻調(diào)速控制運行，年節(jié)電量為4 260 000 kW·h，電價按0.36元/kW·h計算，年節(jié)電費為4 260 000×0.36=153.36萬元。由此可見，采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，不僅解決了原來制酸SO2風機運行中存在的問題，而且降低了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)束語

云錫10萬t/a銅冶煉項目制酸SO2風機高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造，經(jīng)過兩年多的生產(chǎn)實踐應用，設(shè)備性能穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯著，年節(jié)電量4 260 000 kW·h，年創(chuàng)經(jīng)濟效益150萬元以上。制酸SO2風機高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造滿足云錫銅業(yè)分公司雙頂吹煉銅工藝的生產(chǎn)實際要求，取得了較好的節(jié)能效果。