林福坤
(紫金銅業(yè)有限公司, 福建 龍巖 364204)
在各種工業(yè)用風(fēng)機、水泵中大部分是額定功率運行,流量的設(shè)計均以最大需求來設(shè)計,其調(diào)整方式采用檔板、閥門、回流、起停電機等方式控制,無法形成閉環(huán)控制,也很少考慮省電[1]。電氣控制采用直接或Y- Δ啟動,其存在的主要問題是不能改變電機的轉(zhuǎn)速、沒有軟啟動功能、機械沖擊大、傳動系統(tǒng)壽命短、震動及噪聲大、功率因數(shù)較低。而采用變頻器控制裝置,通過改變電機轉(zhuǎn)速,從而改變水泵水量適應(yīng)生產(chǎn)工藝的需要,而且運行能耗最省,綜合效益最高。所以變頻器調(diào)速是高效的最佳調(diào)速方案,它可以實現(xiàn)無級調(diào)速,并且可以方便地組成閉環(huán)控制系統(tǒng)、實現(xiàn)恒壓或恒流量的控制。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,性能可靠、匹配完善、價格合理的變頻器不斷出現(xiàn),這一技術(shù)也會得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用[2]。本文以某公司300 kt/a陰極銅電解項目為工程實例,通過實施變頻改造和優(yōu)化相關(guān)工藝控制,以提升各項工藝指標和降低生產(chǎn)成本,確保某公司陰極銅年產(chǎn)量任務(wù)順利完成。
在銅電解過程中,電解液必須不斷地循環(huán)流通,一方面保持電解槽內(nèi)電解液溫度、濃度均勻;另一方面經(jīng)過相關(guān)設(shè)備過濾,濾除電解液中所含的懸浮物等雜質(zhì),以保持電解液具有生產(chǎn)高質(zhì)量陰極銅所需的清潔度[3]。電解液循環(huán)速度的選擇主要取決于循環(huán)方式、電流密度、電解槽容積、陽極成分等[4],一般循環(huán)速度為15~30 L/min·槽。
某公司300 kt/a陰極銅電解項目,電解液循環(huán)系統(tǒng)主要由電解液循環(huán)槽、上清液槽、高位槽、分液包、各電解槽、凈化過濾機、循環(huán)泵、板式換熱器、流量計、工藝管道等組成,如圖1所示。電解主廠房采用雙跨結(jié)構(gòu),分東、西2個系統(tǒng),每個系統(tǒng)分4個系列,每個系列含8組電解槽,每組15個,即每個系統(tǒng)480個電解槽,2個系統(tǒng)共960個電解槽。每槽電解液采用底部三通進液,上部兩端溢流,即下進上出方式,每槽循環(huán)速度為30 L/min;每槽電解液溫度控制在63.5~64.5 ℃。東、西系統(tǒng)各采用4套液下泵,2用2備,將電解液由循環(huán)槽經(jīng)板式換熱器加熱后抽至高位槽。液下泵設(shè)計流量為460 m3/h、揚程為35 m、電機功率為90 kW、額定電流為167 A,電機控制采用接觸器直接啟動方式。高位槽尺寸為6 000 mm×4 000 mm×3 000 mm,溢流口口徑為DN300 mm、中心高度為2 750 mm。
圖1 某公司電解液循環(huán)系統(tǒng)工藝流程
變頻調(diào)速的優(yōu)點如下:
1)調(diào)速時平滑性好,效率高。
2)調(diào)速范圍較大,精度高。
3)起動電流低,對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊,節(jié)電效果明顯[5]。
4)變頻器體積小,便于安裝、調(diào)試,維修簡便。
5)易于實現(xiàn)過程自動化。
某公司電解液循環(huán)系統(tǒng)的運行狀況:電解液循環(huán)泵電機采用接觸器控制系統(tǒng)直接啟動,額定轉(zhuǎn)速下運行;2臺循環(huán)泵電解液出口流量總和大于分液包4個出口流量之和,多余電解液通過DN300溢流管溢流回電解液循環(huán)槽;因定期檢修保養(yǎng)的需要切換在用和備用循環(huán)泵時,先啟動備用泵,通過人工慢慢開啟對應(yīng)的手動閥門至一定開度,然后再停止需檢修保養(yǎng)的在用泵并關(guān)閉相應(yīng)的手動閥門,以減少循環(huán)泵啟動瞬間電解液對板式換熱器板片的沖擊;而且需要時刻關(guān)注高位槽液位,必要時及時調(diào)整循環(huán)泵出口閥門,避免冒槽事故。故電解液循環(huán)系統(tǒng)的運行存在操作繁瑣、機械沖擊、震動、噪聲大、功率因數(shù)較低、不節(jié)能、安全環(huán)保隱患大等缺點。
如果采用變頻調(diào)速控制電解液循環(huán)泵,泵轉(zhuǎn)速控制流量特性曲線如圖2所示。由圖2可知,水泵在工頻條件下的運行特性曲線為F1,額定工作點為A,額定流量為QA,額定揚程為HA,管網(wǎng)理想阻力曲線R1=K1Q,與流量Q成正比;采用閥門調(diào)節(jié)開度時的實際管網(wǎng)阻力曲線為R2,工作點為B,流量為QB,揚程為HB。采用變頻調(diào)速的特性曲線為F2,理想工作點為C,流量為QC,揚程為HC。水泵功耗可表達成P=QH,當QB=QC時,HC明顯小于HB;電解液循環(huán)泵90 kW電機實際運行電流約155 A,全年(365天)每天24 h不間斷運行,除去年修、定期大修等停機時間,年均運行天數(shù)約為360天;因此,預(yù)留余量采用比電機額定功率高一級的110 kW變頻器進行改造,存在較大的節(jié)能空間。
長期以來,我國對天然氣發(fā)電如何發(fā)展未形成共識,導(dǎo)致天然氣發(fā)電成為近年來政策調(diào)整最為頻繁的天然氣利用領(lǐng)域。孫慧認為,一個行業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略或者發(fā)展方向不宜過于頻繁變動,建議要多方考量,適度松綁燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)項目,適時調(diào)整煤改氣的發(fā)展方向。
圖2 泵轉(zhuǎn)速控制流量特性曲線
1)減小溢流。高位槽設(shè)計溢流中心高度為2 750 mm,變頻調(diào)速改造前,高位槽實際液位為2 950 mm,電解液存在較大量的溢流。變頻調(diào)速改造后,通過調(diào)整電解液循環(huán)泵的運行頻率,將高位槽實際液位控制在2 600 mm,最大程度減小溢流,進而節(jié)約電耗;同時保證分液包4組出液口共計880 m3/h的流量需求,避免空氣進入電解液管道,攪動電解槽底部沉淀的陽極泥,進而導(dǎo)致陰極銅板長陽極泥粒子,浪費交流電耗,又影響陰極銅表面質(zhì)量。
2)取消手動閥門。變頻改造后,可以取消循環(huán)泵切換時通過人工慢慢開啟手動閥門這一步驟,直接將循環(huán)泵出口閥門置于全開位置,通過設(shè)定合適的啟動頻率、加減速時間、運行頻率等參數(shù),避免啟動瞬間對板式換熱器板片的沖擊,減少對管道的沖擊、震動及噪聲。
3)不需隨時調(diào)整循環(huán)泵出口閥門開度。工藝生產(chǎn)運行過程中無需擔心高位槽冒槽引發(fā)安全環(huán)保事故而需時刻關(guān)注并隨時調(diào)整循環(huán)泵出口閥門開度,只需將閥門設(shè)定為全開,通過調(diào)整變頻器的輸出頻率來調(diào)整管網(wǎng)的流量和壓力,使整個電解液循環(huán)系統(tǒng)平穩(wěn)運行。
4)無需人工干預(yù)。變頻改造后,利用變頻器故障自復(fù)位功能,通過設(shè)定合適的故障自重啟時間、故障自重啟次數(shù)等參數(shù),濾除某公司電網(wǎng)因雷電等不可抗拒因素導(dǎo)致的電壓波動造成接觸器失壓進而導(dǎo)致電解液循環(huán)泵突發(fā)跳停故障,在干擾波動消除后,第一時間自動恢復(fù)啟動,無需人工干預(yù)。
某公司廠房位于雷區(qū),因雷電等外部因素閃絡(luò)進而導(dǎo)致電解液循環(huán)泵突發(fā)跳停時有發(fā)生。電解液循環(huán)泵跳停后,高位槽至分液包的氣動閥因聯(lián)鎖而自動關(guān)閉,分液包內(nèi)的電解液將在15 s內(nèi)排空;而運行人員自電解中控室趕往西區(qū)電解液循環(huán)泵操作現(xiàn)場至少需要2 min,趕往東區(qū)電解液循環(huán)泵操作現(xiàn)場至少需要20 s;分液包排空后空氣進入管道進而攪起電解槽底部陽極泥,為確保陰極銅質(zhì)量,避免陰極銅底部長粒子,進而需停東、西區(qū)整流,讓各電解槽內(nèi)的電解液循環(huán)沉淀2 h以后方能恢復(fù)送電。
在電解中控室新增2個控制箱,配套相應(yīng)的運行指示燈、啟動按鈕、泵號標識等;將電解東、西區(qū)各4臺電解液循環(huán)泵現(xiàn)場操作箱的啟動信號并聯(lián)到新增控制箱;同時修改相應(yīng)的操作規(guī)程和應(yīng)急處置預(yù)案并組織運行人員培訓(xùn)學(xué)習(xí)。在某公司電網(wǎng)因雷電等外部因素閃絡(luò)進而導(dǎo)致設(shè)備跳停時,利用中控室24 h有人值守,可在第一時間應(yīng)急恢復(fù)啟動。
某公司變頻改造為一次性投資,8套110 kW變頻柜及附件、安裝施工等費用共計37.6萬元。據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計電解液循環(huán)泵每年運行時間約360天,每天24 h,按電機實際輸出軸功率計算每年電解液循環(huán)泵電機耗電量。
2)變頻改造后。電機實際運行電壓360 V,實際運行電流118 A,則耗電量為1 468 109 kWh(360 V×118 A×10-3×4臺×24 h/d×360 d)。
因此,每年節(jié)電約為567 475 kWh,電價按0.5元/kWh估算,每年節(jié)約電費約28.4萬元。運行2年后即可收回37.6萬元投資成本,且額外節(jié)約電費19.2萬元,第3年開始每年節(jié)約電費28.4萬元。
電流效率是指銅電解精煉過程中,陰極銅的實際析出量與理論析出量的百分比[3],計算公式如下:
η=M/(q×I×t×n×10-6)×100%
(1)
式中:η——電流效率,%;
M——當日通電電解槽實際陰極銅析出量,t;
q——銅的電化當量,1.186 g/A·h;
I——生產(chǎn)電流強度,A;
t——實際通電時間,h;
n——當日通電電解槽個數(shù)。
某公司的平均電流效率為99%、整流電流為35 kA、通電槽個數(shù)為960、通電時間為2 h,由公式(1)求得的實際陰極銅產(chǎn)量為78.9 t。按陰極銅4.5萬元/t計算,78.9噸陰極銅的經(jīng)濟價值約355萬元。
由上述計算可見,只要因雷電等外部因素導(dǎo)致一次電解液循環(huán)泵突發(fā)跳停,通過電解中控室人工應(yīng)急恢復(fù)啟動,或通過變頻器故障自復(fù)位、自重啟功能實現(xiàn)啟動,即可保產(chǎn)陰極銅78.9 t,實現(xiàn)經(jīng)濟價值355萬元。
通過對電解液循環(huán)系統(tǒng)中的電解液循環(huán)泵進行變頻改造,既大大節(jié)約了交流電耗,降低生產(chǎn)成本,提升各項工藝指標,又降低了設(shè)備震動、噪聲及故障率。同時通過優(yōu)化工藝控制,最大程度降低公司電網(wǎng)因雷電等外部因素閃絡(luò)進而導(dǎo)致設(shè)備跳停給工藝生產(chǎn)帶來的不利影響,進而保障了某公司陰極銅年產(chǎn)量任務(wù)順利實現(xiàn),該改造項目具有很大的經(jīng)濟效益。變頻節(jié)能改造是節(jié)能減排的一個重要途徑,后續(xù)工作進一步結(jié)合防晃電智能控制器的應(yīng)用,不斷提高某公司智能冶金、綠色冶金的水平。