星輪調(diào)速系統(tǒng)在回轉(zhuǎn)窯高溫風機中的應(yīng)用

李國軍，管向東

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司回轉(zhuǎn)窯高溫風機主電機功率為900 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 491 r/min，原來采用液力耦合器調(diào)速運行時，常用轉(zhuǎn)速約為1 200 r/min。由于液力耦合器傳動效率低，理論效率等于其傳動比，而且設(shè)備老舊，其實際效率更低，運行中電能浪費嚴重。此外，由于液力耦合器效率低，正常生產(chǎn)時還導致了高壓電機動力不足，風機轉(zhuǎn)速達不到額定轉(zhuǎn)速時就已經(jīng)超功率運行,導致電機溫升過高。該高溫風機為單臺除塵風機，沒有備用風機，一旦出現(xiàn)故障會對生產(chǎn)造成嚴重影響。星輪調(diào)速系統(tǒng)是通過控制低壓電機的旋向和轉(zhuǎn)速來調(diào)解高壓主動力電機轉(zhuǎn)速的機電一體化設(shè)備，用于實現(xiàn)大功率水泵、風機等設(shè)備的調(diào)速運行，具有傳動效率高、性能可靠等特點。鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司2018年新建了一臺高壓主動力電機功率為800 kW的高溫風機系統(tǒng)裝置，采用了星輪調(diào)速系統(tǒng)代替液力耦合器的傳動方式。在未改變生產(chǎn)工藝的情況下，解決了電能損耗和電機過熱問題，回轉(zhuǎn)窯高溫風機實現(xiàn)了高效率、高精度運行。

1 風機調(diào)速節(jié)能的基本原理

根據(jù)風機本身特性，風機流量Q和風機轉(zhuǎn)速n成正比關(guān)系，而風壓H與轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，所需的軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比關(guān)系。當風機轉(zhuǎn)速變化時，其本身性能曲線的變化可由比例定律做出。圖1為轉(zhuǎn)速變化時風機運行工況點的變化情況。

圖1 轉(zhuǎn)速變化時風機運行工況點的變化

圖2 星輪調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備結(jié)構(gòu)布置圖

如圖1所示，因風機管路阻力為固定值，故當轉(zhuǎn)速由n0變至n1、n2時，運行工況點將由A點變至A1、A2點。即當風機的轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時，對應(yīng)工況點的風量、風壓、軸功率也隨之降到原來的 1/2、1/4、1/8[1]。 因此，用調(diào)低轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)流量可使軸功率值不斷降低。

2 星輪調(diào)速系統(tǒng)的組成、原理及控制

2.1 星輪調(diào)速系統(tǒng)的組成

星輪調(diào)速系統(tǒng)主要由星輪調(diào)速器、高壓主電機、低壓變頻調(diào)速電機、PLC及變頻控制柜、稀油潤滑站等組成，其中星輪調(diào)速器是整個調(diào)速系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)設(shè)備平滑調(diào)速的執(zhí)行部件。星輪調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備結(jié)構(gòu)布置圖見圖2。

星輪調(diào)速屬于機械調(diào)速范疇，以機械調(diào)速為主、電氣調(diào)速為輔，其綜合調(diào)速運行效率為90%～97%。另外，星輪調(diào)速器本體運行可靠性高，使用壽命長，且低壓調(diào)速變頻器運行時對電網(wǎng)的波動及污染小，后期維護費用也比較低。

2.2 星輪調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理

星輪調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理為:星輪調(diào)速器是實現(xiàn)風機調(diào)速的執(zhí)行部件，高壓主電機和低壓變頻調(diào)速電機是星輪調(diào)速器的兩個動力輸入源。高壓主電機的轉(zhuǎn)速恒定，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)低壓變頻調(diào)速電機的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速來改變星輪調(diào)速器輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對風機的調(diào)速。數(shù)學模型為：

式中，iH、iK為星輪調(diào)速器內(nèi)主電機和調(diào)速電機輸入軸的固定傳動比；n輸出、n主、n調(diào)分別為風機輸出、主電機、調(diào)控電機轉(zhuǎn)速。

n輸出與n主、n調(diào)的調(diào)速關(guān)系見圖3。當 n調(diào)為正轉(zhuǎn)時，n輸出為經(jīng)過星輪調(diào)速器中齒輪變速后的主電機轉(zhuǎn)速與調(diào)速電機轉(zhuǎn)速之和，當n調(diào)為反轉(zhuǎn)時，n輸出為經(jīng)過星輪調(diào)速器中齒輪變速后的主電機轉(zhuǎn)速與調(diào)速電機轉(zhuǎn)速之差。

圖3 n輸出與n主、n調(diào)的調(diào)速關(guān)系曲線

2.3 星輪調(diào)速系統(tǒng)的控制

星輪調(diào)速系統(tǒng)電氣設(shè)備控制系統(tǒng)的核心部分是低壓變頻器、可編程控制器（PLC）、能量回饋單元。星輪調(diào)速系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)簡圖如圖4。

圖4 星輪調(diào)速系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)簡圖

星輪調(diào)速系統(tǒng)電氣控制原理為：根據(jù)設(shè)備運行工藝，通過PLC進行編程，自動控制低壓調(diào)速電機、高壓電機的運行及風門或閥門的開關(guān)，根據(jù)設(shè)定的設(shè)備轉(zhuǎn)速計算后，輸出信號控制低壓變頻器的運行頻率，變頻器精準的控制變頻調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速輸出，從而調(diào)節(jié)設(shè)備的轉(zhuǎn)速。當調(diào)速電機正向旋轉(zhuǎn)時，作為驅(qū)動動力輸出功率；當調(diào)控電機反轉(zhuǎn)運行時，調(diào)速電機被拖動產(chǎn)生電能，通過能量回饋單元將產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng)，降低能量損耗。

星輪調(diào)速電氣控制系統(tǒng)采用一鍵式操作，通過編程，在計算機監(jiān)控畫面對設(shè)備進行顯示、參數(shù)設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)存儲、報警記錄等功能。操作可分為就地和遠程兩種模式。本臺風機系統(tǒng)采用計算機遠程控制，控制系統(tǒng)接入集控室PLC系統(tǒng)，與原有PLC系統(tǒng)融合，來實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)與生產(chǎn)線設(shè)備的聯(lián)鎖和遠程控制及輸入信號和輸出信號實時監(jiān)測，主要監(jiān)測信號見表1。

表1 PLC系統(tǒng)輸入、輸出信號列表

3 應(yīng)用效果

星輪調(diào)速設(shè)備改造完成后，經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定運行，采集相關(guān)數(shù)據(jù)對比星輪調(diào)速系統(tǒng)和液力耦合器的節(jié)能效果。

星輪調(diào)速系統(tǒng)主電機功率為800 kW，運行參數(shù)為電壓10 kV，運行電流34.1 A，功率因數(shù)為0.88；低壓調(diào)控電機變頻器電壓為400 V，變頻器電流為370.1 A，功率因數(shù)為0.7。

電動機消耗功率計算如下：原先采用的液力耦合器的主電機功率為900 kW，電機電壓為10 kV，運行電流為61 A，功率因數(shù)為0.89。

電動機消耗功率計算如下：

節(jié)能率ε計算如下：

對比結(jié)果認為，在風量、風壓等工作狀態(tài)相同的情況下，采用星輪調(diào)速系統(tǒng)的除塵風機消耗電流值明顯降低，節(jié)能效果顯著，說明星輪調(diào)速系統(tǒng)是一種高效率、高可靠性的調(diào)速系統(tǒng)。

4 結(jié)語

為了解決鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司回轉(zhuǎn)窯高溫風機液力耦合器低效、電能浪費嚴重的問題，采用了星輪調(diào)速系統(tǒng)，既解決了風機長期靠液力耦合器調(diào)速的電能損耗問題，同時有效地改善了風機系統(tǒng)的電機動力不足和運行溫度高等問題，在常用工況條件下，節(jié)能率可達25%以上。實踐表明，該星輪調(diào)速系統(tǒng)可以在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。