變頻改造技術(shù)在電解鋁凈化高壓風(fēng)機上應(yīng)用的探討*

王立鑫，王富強

(酒鋼集團(tuán)甘肅東興鋁業(yè)有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

凈化高壓風(fēng)機的主要作用是抽取電解生產(chǎn)產(chǎn)生的煙氣，煙氣經(jīng)過凈化處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后通過風(fēng)機送到排氣塔排出。因電機恒速，系統(tǒng)壓力和流量的調(diào)節(jié)只能通過風(fēng)機風(fēng)門調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行，存在風(fēng)門處壓力損失大，無效能耗高的現(xiàn)狀。

目前筆者所在公司凈化區(qū)域高壓風(fēng)機風(fēng)量調(diào)節(jié)為控制風(fēng)門開度形式，通過改變管道阻力來實現(xiàn)風(fēng)機輸出流量的調(diào)節(jié)，該調(diào)整方式存在精度和自動化程度低及較大的節(jié)流損耗的現(xiàn)狀。筆者重點針對電解鋁凈化高壓風(fēng)機工頻啟動程序繁瑣的現(xiàn)狀，對凈化高壓風(fēng)機變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造探討，變頻調(diào)速技術(shù)改造后，目前系統(tǒng)啟動程序繁瑣、能耗水平高的問題得到改善。

1 凈化高壓風(fēng)機運行問題及改造目標(biāo)

1.1 凈化高壓風(fēng)機運行情況簡介及分析

公司一期凈化區(qū)域共配置3套煙氣凈化系統(tǒng)，合計9臺主排風(fēng)機，每套凈化系統(tǒng)3臺主排風(fēng)機對112臺電解槽進(jìn)行煙氣收集。根據(jù)現(xiàn)場煙氣收集情況，3臺風(fēng)機各75%負(fù)荷運行。每臺風(fēng)機電機額定功率1 120 kW，風(fēng)機全壓3100 Pa，額定流量1 100 000 m3/h，9臺電機年耗電71 928 176 kW·h，產(chǎn)生電費2 199.56萬。

公司二期現(xiàn)有24臺主排風(fēng)機電機，每套凈化系統(tǒng)配備3臺風(fēng)機，運行模式采用2用1備。每臺風(fēng)機電機額定功率900 kW，風(fēng)機全壓4 100 Pa，額定流量529 992 m3/h。目前的工藝現(xiàn)狀下，風(fēng)機電機運行功率在740 kW，單臺風(fēng)機進(jìn)口負(fù)壓3 000 Pa，流量450 000 mm3/h，16臺電機年耗電1.037 1億千瓦時，產(chǎn)生電費2 900萬。

1.2 凈化高壓風(fēng)機目前運行中存在的問題

凈化主排風(fēng)機的主要作用是抽取電解生產(chǎn)產(chǎn)生的煙氣，煙氣經(jīng)過凈化處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后通過風(fēng)機送到排氣塔排出。因電機恒速，壓力和流量只能通過風(fēng)機風(fēng)門調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)，風(fēng)門處壓力損失較多，無效能耗很高。

凈化主排風(fēng)機2用1備情況下，調(diào)節(jié)閥開度在80%時，負(fù)壓達(dá)到3 100 Pa，流量達(dá)到450 000 m3/h，滿足工藝需求；若調(diào)節(jié)閥開度在100%時，負(fù)壓達(dá)到4 100 Pa，流量達(dá)到1 060 000 m3/h，風(fēng)機排出的煙氣會帶走大量熱量，降低了電解槽的效率。

1.3 凈化高壓風(fēng)機變頻技術(shù)改造目標(biāo)

1.3.1 簡化作業(yè)流程

通過對凈化風(fēng)機傳動系統(tǒng)升級改造，可簡化現(xiàn)有風(fēng)機啟動流程，降低目前風(fēng)門調(diào)節(jié)的難度和復(fù)雜作業(yè)程度。原系統(tǒng)風(fēng)機為直接啟動，為避免啟動電流過大而引起的保護(hù)裝置動作，每次在風(fēng)機啟動時先關(guān)閉風(fēng)門，風(fēng)機轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速時，再逐步打開風(fēng)門增加風(fēng)機負(fù)荷，最終調(diào)整至生產(chǎn)工藝需要的開度。系統(tǒng)升級改造后可取消上述操作步驟，風(fēng)機按最佳調(diào)速曲線運行至生產(chǎn)工藝的需求轉(zhuǎn)速，提供相應(yīng)的風(fēng)量和壓力。

1.3.2 降低運維費用

凈化系統(tǒng)風(fēng)機升級改造后，可減少風(fēng)門處風(fēng)壓損失，有效降低主排風(fēng)機電能消耗水平，并可以使風(fēng)機和電機運行在最佳狀態(tài)，以此實現(xiàn)節(jié)能。預(yù)計能耗降低25%，實現(xiàn)年節(jié)省電費500萬元，降低企業(yè)運營成本，提升企業(yè)競爭力。

1.3.3 提供設(shè)備自動化水平

凈化系統(tǒng)升級改造后可有效提高凈化系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，降低日常維護(hù)的難度和人員操作的強力，進(jìn)一步提升企業(yè)自動化水平，使公司電解槽凈化系統(tǒng)達(dá)到同行業(yè)先進(jìn)水平。

2 凈化高壓風(fēng)機變頻技術(shù)應(yīng)用及改造方案

2.1 凈化高壓風(fēng)機變頻技術(shù)應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能效果等優(yōu)點而被廣泛使用[1]，成為節(jié)約能源、緩解能源緊缺狀況、提高勞動生產(chǎn)率和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要技術(shù)措施。

將凈化主排高壓風(fēng)機電動機驅(qū)動由工頻操作模式直接供給調(diào)整為高壓變頻器控制方式，可實現(xiàn)電機運行頻率隨電解凈化煙管負(fù)壓變化的自動在線閉環(huán)控制，有效解決現(xiàn)場工況變化頻繁、負(fù)載不穩(wěn)定、電壓電流波動大等問題，風(fēng)機啟動電流明顯降低，風(fēng)機運行時震動及現(xiàn)場噪音明顯減弱，延長了風(fēng)機及其軸承等部件運行壽命，降低主排風(fēng)機故障率和維修成本，提高設(shè)備的數(shù)字化和信息化，可以滿足節(jié)能減排及“雙碳”經(jīng)濟(jì)的相關(guān)要求。

2.2 改造方案簡述

目前工業(yè)用風(fēng)機已普遍使用了高效離心風(fēng)機，但實際運行效率并不佳，主要原因是風(fēng)機的調(diào)速性能差、運行模式不在風(fēng)機的最佳效率點[2]。目前常見的風(fēng)機調(diào)速方式主要為風(fēng)門調(diào)節(jié)、耦合器調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速方式，結(jié)合本項目實際情況，文中以變頻調(diào)速方式實施評估。

2.2.1 高壓變頻器改造

對公司一期共計3套(9臺)煙氣凈化主排風(fēng)機進(jìn)行節(jié)能改造。每套系統(tǒng)由3臺風(fēng)機組成，配套電動機為1 120 kW，新增3座10 kV高壓變頻器室，每座變頻器室安裝3臺變頻器。

對公司二期共計8套(24臺)煙氣凈化主排風(fēng)機進(jìn)行節(jié)能改造。每套系統(tǒng)由3臺風(fēng)機組成，配套電動機為900 kW，新增4座10 kV高壓變頻器室，每座變頻器室安裝6臺變頻器。

2.2.2 線路改造及敷設(shè)

本工程一期凈化區(qū)域主排風(fēng)機變頻器電源由凈化一作業(yè)區(qū)現(xiàn)有的1座10 kV開關(guān)站接引，二期凈化區(qū)域主排風(fēng)機變頻器電源由凈化二作業(yè)區(qū)現(xiàn)有的4座10 kV開關(guān)站接引，本次10 kV設(shè)備負(fù)荷容量未增加，現(xiàn)有電源滿足本次改造需要。新建高壓變頻器室內(nèi)用電電源由凈化區(qū)域現(xiàn)有低壓配電室接引，經(jīng)核實，現(xiàn)有容量可滿足本次改造接入需求。

本工程由電機至高壓變頻器電纜沿原有電纜路由敷設(shè)，電纜利舊使用。解下開關(guān)站一側(cè)電纜后改接入新建變頻器室內(nèi)對應(yīng)變頻器。開關(guān)站至新建變頻器室高壓電纜沿原有電纜溝、橋架/新建電纜溝敷設(shè)，電纜新增。高壓變頻器室內(nèi)380/220 V電纜沿現(xiàn)有電纜橋架/新建電纜溝敷設(shè)。變頻器控制電纜采用屏蔽電纜沿原有電纜溝、橋架/新建電纜溝敷設(shè)，控制回路線路與供配電回路嚴(yán)格分開敷設(shè)。

2.3 改造應(yīng)用效果分析

2.3.1 改造應(yīng)用節(jié)能理論分析

風(fēng)機運行特性：離心式風(fēng)機屬于平方轉(zhuǎn)矩類型的負(fù)載，風(fēng)機在一定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的離心壓力作用在一個截面上時，介質(zhì)在單位時間內(nèi)的通過量稱為流量，風(fēng)機在運轉(zhuǎn)時，通過風(fēng)機壓力與管網(wǎng)阻力的共同作用，出現(xiàn)一個穩(wěn)定的流量輸出，叫做工作點[3]，其中流量Q、壓力H、功率P與轉(zhuǎn)速n存在如下關(guān)系：

Q1/Q2=n1/n2

(1)

H1/H2=(n1/n2)2

(2)

P1/P2=(n1/n2)3

(3)

P=Q×H

(4)

2.3.1.1 風(fēng)門開度調(diào)節(jié)

風(fēng)門開口度調(diào)節(jié)就是通過改變管道風(fēng)門的角度及管網(wǎng)阻力實現(xiàn)對風(fēng)機輸出的流量調(diào)節(jié)。風(fēng)門開口度調(diào)整時，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速保持不變，風(fēng)機的軸功率基本不變，風(fēng)機的性能曲線不變，管網(wǎng)阻力發(fā)生變化，風(fēng)壓隨之上升，風(fēng)機的輸出流量將在風(fēng)機的特性曲線上隨之移動，風(fēng)機的性能曲線與新的管網(wǎng)阻力特性曲線的交點就是新的工作點，其特性曲線見圖1，R1、R2、R3為不同阻力下的阻力特性曲線；M1、M2、M3為不同阻力下對應(yīng)的工作點；H1、H2、H3為不同阻力下對應(yīng)的管道壓力；Q1、Q2、Q3為不同阻力下對應(yīng)的管道流量。

圖1 風(fēng)門控制風(fēng)機特性曲線 圖2 調(diào)速控制風(fēng)機特性曲線

2.3.1.2 調(diào)速調(diào)節(jié)

調(diào)速控制就是通過調(diào)整風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)量，利用改變風(fēng)機性能曲線的方式來改變工作點。實現(xiàn)手段有耦合器調(diào)速和變頻器調(diào)速兩種，耦合器調(diào)速的傳動效率較低，約為85%。變頻器調(diào)速是通過改變電源的工作頻率，從而實現(xiàn)對交流電機的無級調(diào)速，其效率較高，約為95%以上。風(fēng)機采用變速調(diào)節(jié)風(fēng)量時，風(fēng)量隨轉(zhuǎn)速按一次方規(guī)律變化，而軸功率按三次方規(guī)律變化。在管網(wǎng)阻力不變時，其特性曲線見圖2，n1、n2、n3為不同轉(zhuǎn)速下的壓力特性曲線；R為阻力特性曲線；M1、M2、M3為不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的工作點；H1、H2、H3為不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的管道壓力；Q1、Q2、Q3為不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的管道流量。

2.3.2 風(fēng)機節(jié)能理論值估算

2.3.2.1 理論假設(shè)

風(fēng)機管道的風(fēng)阻為0、風(fēng)機在流量和壓力調(diào)節(jié)時風(fēng)損不變、風(fēng)機供電線路的電能損失為0。節(jié)能計算參照2.3.2.2兩種計算方式。

2.3.2.2 公司一期凈化高壓電機功率估算方案1

(1) 風(fēng)機功率系數(shù)

K=We÷Qe÷Pe=888 260÷710 000÷3 800×3 600

=1.185(kWh/Pa·m3)

(2) 風(fēng)門控制風(fēng)量時功率估算

=1.732×10×68.7×0.875÷0.95=1 095 kW

(3) 變頻調(diào)速風(fēng)量時功率估算

W2=K×Q×P÷η1÷η2÷η3

=1.185×166×3500÷0.76÷0.98÷0.95

=927.0 kW

(4) 變頻調(diào)速節(jié)約功率

W=W1-W2=1095-927.0=168 kW

上述公式中：We為風(fēng)機額定軸功率，kW；Qe為風(fēng)機額定風(fēng)量，m3/h；Pe為風(fēng)機額定全壓，Pa；K為風(fēng)機的功率系數(shù)，kWh/Pa·m3；η1為風(fēng)機的內(nèi)效率系數(shù)(該系數(shù)為參考值，具體以風(fēng)機廠家提供的特性曲線為準(zhǔn)，該系數(shù)增大時，電機功率會下降，反之上升)；η2為變頻器的效率(0.95～0.98)；η3為電動機的效率系數(shù)(一般為0.85～0.95)。

2.3.2.3 公司一期凈化高壓電機功率估算方案2

(1) 風(fēng)門控制風(fēng)量時功率估算

=1.732×10×68.7×0.875÷0.95=1 095 kW

(2) 變頻調(diào)速風(fēng)量時的功率

根據(jù)式(1)～(4)計算：

H1/H2=(n1/n2)2=3800/3500=1.152

n2=690 r/min

Q1/Q2=n1/n2=740/690=1.072

Q2=599 532 m3/h

P1/P2=(n1/n2)3=P1/P2=1.0573；P2=581.0 kW

W2=P2÷η1÷η3=840 kW

(3) 節(jié)約功率

W=P1-P2=1 095-840=255 kW

(4) 變頻調(diào)速節(jié)約功率

W=W1-W2=1 095-927.0=168 kW

2.3.2.4 公司二期電機功率估算方案1

(1) 風(fēng)機功率系數(shù)

K=We÷Qe÷Pe=684000÷510000÷4100×3600

=1.177(kWh/Pa·m3)

(2) 風(fēng)門控制風(fēng)量時功率估算

=1.732×10×54.0×0.875÷0.95=861 kW

(3) 變頻調(diào)速風(fēng)量時功率估算

W2=K×Q×P÷η1÷η2÷η3

=1.177×123×3800÷0.80÷0.98÷0.95=730 kW

(4) 變頻調(diào)速節(jié)約功率

W=W1-W2=861-730=131 kW

2.3.2.5 公司二期凈化高壓電機功率估算方案2

(1) 風(fēng)門控制風(fēng)量時功率估算

=1.732×10×68.7×0.875÷0.95=1 095 kW

(2) 變頻調(diào)速風(fēng)量時的功率

H1/H2=(n1/n2)2=4100/3800=1.152

n2=700 r/min

Q1/Q2=n1/n2=740/690=1.060

Q2=460 791 m3/h

P1/P2=(n1/n2)3=P1/P2=1.0573；P2=490.0 kW

W2=P2÷η1÷η3=661 kW

(3) 節(jié)約功率

W=P1-P2=861-661=200 kW

2.3.2.6 變頻調(diào)速的基本工作原理

交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為：

N=60f(1-s)/p

(5)

式中：N為電機轉(zhuǎn)速，r/min；f為定子供電頻率，Hz；p為極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

公司一期凈化區(qū)域轉(zhuǎn)速n2=680 r/min，對應(yīng)變頻變頻為45.9 Hz。公司二期凈化區(qū)域轉(zhuǎn)速n2=700 r/min，對應(yīng)變頻變頻為47.0 Hz。

通過對凈化高壓風(fēng)機變頻技術(shù)改造的理論分析、計算，公司一二期區(qū)域風(fēng)機變頻改造完畢后，在滿足風(fēng)壓、流量的前提下，變頻器在45 Hz附近工作，為最優(yōu)工作區(qū)間。

2.4 應(yīng)用效果理論分析

2.4.1 方案1

公司一期凈化區(qū)域節(jié)電率η1=168/1 095=15.3%，公司二期凈化區(qū)域節(jié)電率η1=131/861=15.2%，根據(jù)工藝要求，凈化區(qū)域風(fēng)機為S1工作制，全年運行時間按8 760 h考慮。則公司一期凈化區(qū)域風(fēng)機節(jié)電度數(shù)為168×9×8 760=1.32×107kWh，則公司二期凈化區(qū)域風(fēng)機節(jié)電度數(shù)為131×16×8 760=1.83×107kWh，因上述計算未完全考慮系統(tǒng)損耗等情況；且上述計算中未完全考慮效率和功率因數(shù)的變化，所以以上均為理論計算，實際工況比上述計算要復(fù)雜，因此節(jié)能率與實際相比可能有一定偏差。

公司一期按0.34元，二期按0.31元計算，全年節(jié)約電費的統(tǒng)計結(jié)果如下：公司一期凈化區(qū)域全年共節(jié)電預(yù)計為1.32×107kWh×0.34=450萬，公司二期凈化區(qū)域全年共節(jié)電預(yù)計為1.83×107kWh×0.31=570萬，合計1020萬元?？紤]到其它不確定因素，如系統(tǒng)效率隨工況改變后的變化，不能準(zhǔn)確記錄不同負(fù)荷在全年運行時間中所占比重，根據(jù)工程經(jīng)驗，保守估計其節(jié)電量在900萬左右。

2.4.2 方案2

公司一期凈化區(qū)域節(jié)電率η2=255/1 095=23.0%，公司二期凈化區(qū)域節(jié)電率η2=200/861=23.2%，根據(jù)工藝要求，甲方凈化風(fēng)機為S1工作制，全年運行時間按8 760 h考慮。則公司一期凈化區(qū)域風(fēng)機節(jié)電度數(shù)為255×9×8 760=2.01×107kWh，則公司二期凈化區(qū)域風(fēng)機節(jié)電度數(shù)為200×16×8 760=2.80×107kWh，因上計算未完全考慮系統(tǒng)損耗等情況；也未完全考慮效率和功率因數(shù)的變化，所以以上均為理論計算，實際工況比上述計算要復(fù)雜，因此節(jié)能率與實際相比可能有一定偏差。

公司一期按0.34元，二期按0.31元計算，全年節(jié)約電費的統(tǒng)計結(jié)果如下：公司一期凈化區(qū)域全年共節(jié)電預(yù)計為2.01×107kWh×0.34=680萬，公司二期凈化區(qū)域全年共節(jié)電預(yù)計為2.80×107kWh×0.31=860萬，合計1 540萬元?？紤]到其它不確定因素，如系統(tǒng)效率隨工況改變后的變化，不能準(zhǔn)確記錄不同負(fù)荷在全年運行時間中所占比重，根據(jù)工程經(jīng)驗，保守估計其節(jié)電量在1 200萬左右。

3 結(jié) 論

變頻調(diào)速技術(shù)屬于傳統(tǒng)主流調(diào)速方式，在各個行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，公司凈化系統(tǒng)風(fēng)機升級改造后，可減少風(fēng)門處風(fēng)壓損失，使風(fēng)機和電機運行在最佳狀態(tài)，以此實現(xiàn)節(jié)能、降低企業(yè)運營成本、增加企業(yè)競爭力的目的。本項目變頻調(diào)速技術(shù)具備以下特點。

(1) 實現(xiàn)風(fēng)門全開，不再人為調(diào)整風(fēng)門，風(fēng)機運行可通過壓力、流量檢測行程的閉環(huán)而自動控制，將系統(tǒng)的自動化運行程度大為提高，運行和維護(hù)難度降低。

(2) 在凈化風(fēng)機的調(diào)速范圍內(nèi)通過改變電機運行頻率調(diào)節(jié)風(fēng)量，不再存在節(jié)流損失，具有較大的節(jié)能空間。

(3) 運行過程中不再對風(fēng)門/擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，管網(wǎng)壓力降低，風(fēng)機運行更為平穩(wěn)，減少了風(fēng)門/擋板過度調(diào)節(jié)時帶來的系統(tǒng)喘振，避免對系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置的沖刷，有效延長設(shè)備使用壽命。

(4) 凈化風(fēng)機通過變頻改造后，電機實現(xiàn)了柔性啟動，有效地避免了對電網(wǎng)和凈化風(fēng)機系統(tǒng)的沖擊，極大地降低了電機的故障率。

(5) 功率因數(shù)得到提高，從電網(wǎng)角度來看，工頻運行時電機功率因數(shù)約為0.85，變頻運行時功率因數(shù)約可提高至0.95。因此，即使在滿負(fù)荷運行時，變頻運行時的輸入電流也明顯小于工頻運行時的輸入電流，有利于節(jié)能和設(shè)備的安全運行。

(6) 選用變頻和工頻兩種運行模式。當(dāng)變頻器產(chǎn)生故障時，電動機能夠轉(zhuǎn)換到工頻，確保凈化高壓風(fēng)機安全運行。