國(guó)產(chǎn)高壓變頻器在冶金企業(yè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王秀閣，張?jiān)鲕?，段棟?/p>

（山東石橫特鋼有限公司，山東 泰安 271612）

山東石橫特鋼有限公司1080m3高爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電機(jī)功率為2 200kW，為引風(fēng)機(jī)，風(fēng)量調(diào)節(jié)為入口擋板調(diào)節(jié)方式；機(jī)組運(yùn)行中，引風(fēng)機(jī)的入口擋板開度最大不到75%。這樣的調(diào)節(jié)方法節(jié)流損失大，浪費(fèi)電能。同時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流對(duì)電機(jī)造成損害。為此采用變頻調(diào)節(jié)方式對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造。

一、風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

1.高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

HARSVERT-A10/220（適配2 200kW/10kV電機(jī)） 高壓變頻器(2 200kW)1臺(tái)、系統(tǒng)旁路開關(guān)柜1臺(tái)，采用“一拖一”變頻控制方式。HARSVERT-A06/220變頻器參數(shù)見表1。

表1

2.風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)

風(fēng)機(jī)調(diào)速是由操作人員通過PLC系統(tǒng)的監(jiān)控畫面，參照溫度、負(fù)壓等參數(shù)，通過PLC的PID調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)用量的目的。監(jiān)控系統(tǒng)主要由工控機(jī)和PLC控制系統(tǒng)組成（圖1)。工控機(jī)作為監(jiān)控中心，將變頻器所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)利用TCP/IP通信，在人機(jī)界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；工控機(jī)也可下達(dá)指令來控制變頻器的啟動(dòng)、停止、頻率給定等。

在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過一段時(shí)間的積累，可將不同負(fù)荷和溫度下的給定值繪制成曲線，定出安全的上下限，制成風(fēng)機(jī)調(diào)速專用算法，將采集的負(fù)荷、溫度參數(shù)及負(fù)壓的變化值送到PLC系統(tǒng)中進(jìn)行控制運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果形成4～20mA的速度給定指令信號(hào)，反饋給變頻器，通過比較轉(zhuǎn)速輸出量與PLC速度給定之間的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制，如圖2所示。

二、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能分析

1.風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能原理

采用變頻調(diào)速，按電機(jī)需要升降轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)性能曲線，使風(fēng)機(jī)參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)風(fēng)機(jī)相似定律，變速前后風(fēng)量、風(fēng)壓、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系工作特性如圖3所示。

在第一種負(fù)載工況下，負(fù)載工作在A點(diǎn)，流量為Q1，壓力為H1。若負(fù)載仍然按n1速度定速運(yùn)行，用擋板將流量調(diào)節(jié)為Q2時(shí)，壓力將上升到H3，負(fù)載工作點(diǎn)移到B點(diǎn)。由于擋板的截流作用，管網(wǎng)阻力曲線由③變?yōu)棰?。在A、B兩點(diǎn)，負(fù)載功率分別為PA=H1×Q1，PB=H3×Q2，實(shí)際減小的功率有限。

若不采用擋板調(diào)節(jié)，管網(wǎng)阻力特性保持曲線③不變，改用調(diào)節(jié)負(fù)載速度來減小流量，負(fù)載按速度n2運(yùn)行，工作特性為曲線②，負(fù)載工作在C點(diǎn)，流量仍然為Q2，但壓力為H2。相比B、C兩點(diǎn)，負(fù)載減少的軸功率為：ΔP=PB-PC=（H3-H2)×Q2，在風(fēng)道阻力特性不變的情況下，離心式風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q、壓力H、軸功率P和轉(zhuǎn)速n之間滿足如下關(guān)系(相似定理)：Q∝n，h∝n2，P∝n3。所以有即通過調(diào)速方式改變風(fēng)量，風(fēng)量下降一半時(shí)，在不考慮效率的情況下，風(fēng)機(jī)軸功率將下降87.5%。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿載時(shí)功率因數(shù)為接近1，工作電流比額定電流值低，因變頻裝置內(nèi)濾波電容產(chǎn)生改善功率因數(shù)，為電網(wǎng)節(jié)約20%容量。變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)應(yīng)用中節(jié)能效果顯著。

2.高壓變頻調(diào)速節(jié)能分析計(jì)算

(1)現(xiàn)場(chǎng)工況技術(shù)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)工況技術(shù)數(shù)據(jù)見表2。

表2

根據(jù)計(jì)算公式(1)、(2），可得出工頻情況下負(fù)載的耗電量為1 690.57萬kW·h，設(shè)備工頻運(yùn)行功率為2 113kW，設(shè)備工頻的年耗電費(fèi)為1 014.34萬元。

(3)變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算

對(duì)于風(fēng)機(jī)類負(fù)載，變頻狀態(tài)下的計(jì)算如下。

式中：P′——風(fēng)機(jī)軸功率；

Q——風(fēng)機(jī)出口流量；

H——風(fēng)機(jī)出、入口壓力差；

λ——管網(wǎng)特性系數(shù)。

代入風(fēng)機(jī)的額定值，得出其管網(wǎng)特性系數(shù)λ。

將風(fēng)機(jī)在不同負(fù)載下的λ、壓力、流量值分別代入上式，求得P′軸功率。

電動(dòng)機(jī)效率ηd與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)效率與負(fù)荷率關(guān)系

變頻器效率ηb與系統(tǒng)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖5所示。

綜合考慮到電動(dòng)機(jī)效率ηd和變頻器實(shí)際效率ηb，查圖得出電動(dòng)機(jī)效率ηd=0.88；變頻器效率ηb=0.95。

式中：P′——風(fēng)機(jī)軸功率。

式中：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)、(4)、(5)，可得出變頻情況下負(fù)載的耗電量為設(shè)備變頻后運(yùn)行功率1 795kW，年耗電量1 436.16kW·h，年耗電費(fèi)861.69萬元。

(4)節(jié)能計(jì)算

變頻改造后，可計(jì)算出各負(fù)載上變頻后與工頻相比每年的節(jié)電量為254.413 5萬kW·h，年節(jié)電費(fèi)152.6萬元，節(jié)電率15.0%，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

三、結(jié)語

采用高壓變頻器對(duì)高能耗用電設(shè)備如風(fēng)機(jī)、泵類等的技術(shù)改造，不僅能降低成本，還能使設(shè)備乃至機(jī)組的安全可靠性提高，減少機(jī)組故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。