高壓變頻器在硫酸主風機系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用

唐笑潮

(湖南省桂陽銀星有色冶煉有限公司， 湖南 桂陽 424400)

0 前言

節(jié)約資源保護環(huán)境是我國的基本國策，企業(yè)應(yīng)用先進技術(shù)代替高能耗的落后技術(shù)，大力開展節(jié)能降耗工作，達到節(jié)能環(huán)保的要求[1]。交流變頻調(diào)速技術(shù)是80年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動調(diào)速技術(shù)，并且因其節(jié)能效益顯著、調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬、保護功能完善、運行安全可靠和安裝維護簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[2-3]，尤其是隨著國產(chǎn)高壓變頻技術(shù)的不斷進步、發(fā)展和成熟，成套高壓變頻調(diào)速設(shè)備價格的不斷下降，目前，已經(jīng)成為風機、水泵類等設(shè)備調(diào)速改造的首選[4-5]。

湖南省某冶煉公司硫酸制酸系統(tǒng)，自2011年建成投產(chǎn)以來，硫酸產(chǎn)品單位能耗一直居高不下，其中電耗占整個單位產(chǎn)品能源消耗的比例高達99%以上，因此硫酸系統(tǒng)SO2主風機調(diào)速系統(tǒng)的改造勢在必行。通過多種技術(shù)方案論證比較，選用性價比較高的山東“新風光第六代高壓變頻器”產(chǎn)品實施變頻節(jié)能改造，收到了較好的技術(shù)經(jīng)濟效果，給同行業(yè)改造提供借鑒。

1 原硫酸系統(tǒng)SO2主風機存在的問題

湖南省某冶煉公司原硫酸制酸系統(tǒng)SO2主風機采用2臺(1用1備)單級離心式鼓風機，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表1。從表1知，SO2主風機選擇10 kV電壓等級、功率1 000 kW的電動機，這臺設(shè)備是硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)最大的耗能設(shè)備，用電量負荷大，是造成硫酸單位產(chǎn)品電耗高的主要原因之一。

表1 硫酸單級離心鼓風機設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

當時項目建設(shè)總包工程時，從投資節(jié)約的角度出發(fā)，原硫酸單級離心式鼓風機采用的調(diào)速設(shè)備為液力偶合器。液力偶合器傳遞功率時要消耗一定的能源，從它的工作原理知，是以液體為介質(zhì)傳遞功率，通過改變偶合器液體腔內(nèi)液體的充滿度來調(diào)節(jié)輸出力矩和輸出轉(zhuǎn)速，滿足風機類設(shè)備實現(xiàn)無級調(diào)速的液體聯(lián)軸裝置。偶合器在實際使用中基本上可以滿足硫酸生產(chǎn)工藝及風機調(diào)速的要求，但是存在設(shè)備可靠性低、故障率高等問題，其主要存在的問題如下：

1)液力偶合器是低效調(diào)速設(shè)備，在調(diào)速、傳遞功率等使用過程中需要消耗一定的能源，風機低速運行時偶合器的運行效率更低。

2)調(diào)速液力偶合器的液體腔內(nèi)的液體介質(zhì)，在實際使用中會產(chǎn)生大量的熱量，為了平衡液體產(chǎn)生的熱量，降低液體介質(zhì)溫度必須配套可靠的熱交換設(shè)備對液體介質(zhì)進行換熱處理，需要風機調(diào)一定量的循環(huán)冷卻水對其進行冷卻，必然增加循環(huán)冷卻水泵的開機臺數(shù)。

3)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部件之間的環(huán)節(jié)較多。

4)在實際使用中往往會產(chǎn)生較大的振動和噪音。

5)故障率比較高。在運行實踐中，液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)多次出現(xiàn)軸承損壞等設(shè)備故障。其中，最嚴重一次的設(shè)備事故，造成液力偶合器、電機主軸及軸瓦及損壞，不但造成硫酸制酸生產(chǎn)系統(tǒng)的停產(chǎn)，還影響到氧氣底吹爐鉛熔煉系統(tǒng)的生產(chǎn)；一旦停產(chǎn)時間較長，其硫酸制酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)必須啟動加溫電爐，勢必增加系統(tǒng)的能源消耗，影響硫酸產(chǎn)品單位能耗。

2 變頻節(jié)能改造方案

通過多種技術(shù)方案論證比較，湖南省某冶煉公司選用性價比較高的山東“新風光第六代高壓變頻器”產(chǎn)品對硫酸制酸系統(tǒng)進行變頻節(jié)能改造，收到了較好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

2.1 高壓變頻器的特點及主要技術(shù)參數(shù)

2.1.1 主要特點

高壓變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要特點如下：

圖1 高壓變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)高壓變頻器為直接“高- 高”結(jié)構(gòu)，無輸出升壓變壓器，輸出端為單元串聯(lián)移相式PWM方式。

2)由若干個獨立低壓功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出。

3)機組運用矢量控制技術(shù)，最大限度保證較大的啟動轉(zhuǎn)矩及動態(tài)響應(yīng)速度。

4)具有故障單元熱復(fù)位技術(shù)，變頻器能自動實現(xiàn)對故障單元進行旁路運行，不必等變頻器停機處理。

5)能夠在很短時間(0.1 s內(nèi))從保護狀態(tài)復(fù)位重新啟動并帶負載運行。

6)高壓變頻器采用一拖一手動切換控制方案，其一次回路如圖2所示。

圖2 一拖一手動切換控制方案的一次回路

7)變頻器機組柜頂部，設(shè)置了專用冷卻離心風機，并通過風道將機組柜內(nèi)電氣設(shè)備元器件產(chǎn)生的熱量排到室外。

8)在中控室配備了后臺系統(tǒng)，通過DCS系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備遠程操作、運行參數(shù)監(jiān)視、故障報警及聯(lián)鎖停機，保證設(shè)備安全可靠運行。

2.1.2 主要技術(shù)參數(shù)

高壓變頻器選用了目前國內(nèi)新型的IGBT功率器件和DSB+FPGA+ARM全數(shù)字化微機控制操作系統(tǒng)，技術(shù)優(yōu)勢明顯，硫酸主風機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備(高壓變頻器)的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)改造方案的比較與確定

2.2.1 方案一

將原系統(tǒng)的液力偶合器及2對彈性柱銷聯(lián)軸器拆除，高壓電動機與風機的基礎(chǔ)位置保持不動，設(shè)計1根軸接手，選用2對膜片聯(lián)軸器，利用軸接手及膜片聯(lián)軸器將電機與風機連接成一體。

1)優(yōu)點：由于風機及電機基礎(chǔ)位置保持不動，改造方案簡單、容易。

2)缺點：由于軸接手尺寸較長，軸接手及聯(lián)軸器部件質(zhì)量較重，在轉(zhuǎn)動過程中會增加電機的負荷，對整個風機設(shè)備系統(tǒng)有一定的影響；軸承部位及軸接手由于設(shè)有支撐，影響設(shè)備運行的可靠性。

表2 硫酸主風機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備(高壓變頻器)主要技術(shù)參數(shù)

2.2.2 方案二

利用原調(diào)速型偶合器的箱體作為中間連接軸的軸承箱，將偶合器的轉(zhuǎn)鼓拆除，重新設(shè)計一根短軸，安裝在原轉(zhuǎn)鼓位置，采用2個滾動軸承支承，利用原來偶合器的油路系統(tǒng)作為中間軸承箱的潤滑系統(tǒng)。

1)優(yōu)點：充分利用原有調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備零部件，改造費用較低；而且由于采用了軸承箱結(jié)構(gòu)，提高了調(diào)速系統(tǒng)運行的可靠性。

2)缺點：軸承箱需要潤滑系統(tǒng)，滾動軸承支承結(jié)構(gòu)在設(shè)備轉(zhuǎn)動過程中會有一定的能耗損失，降低了設(shè)備的機械效率。

2.2.3 方案三

利用原液力偶合器的基礎(chǔ)及地腳螺栓，重新設(shè)計一個專用鋼制底座，將電機安裝位置移到靠近風機位置處，重新加工4個電機地腳螺栓孔(高壓電機底座為鋼板焊接件)，利用原電機前端兩個地腳螺栓及鋼制底座兩個螺栓固定電動機，將原電機的電纜及電動要軸承潤滑油管路作適當調(diào)整即可，將液力偶合器軸上的聯(lián)軸器與原電動機軸上的聯(lián)軸器對換，內(nèi)孔尺寸作適當?shù)男薷摹?/p>

與“方案一”相比，取消了軸接手；與“方案二”相比，沒有中間軸承箱及短軸，也不需要軸承箱的潤滑油系統(tǒng)，原來的板式換熱器可完全拆除。相對上述兩個方案，系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)件少，系統(tǒng)的機械效率最高。

綜上所述，湖南省某冶煉公司硫酸制酸系統(tǒng)風機節(jié)能改造選擇“方案三”。于2019年2月利用設(shè)備停產(chǎn)大修期間，對硫酸主風機調(diào)速系統(tǒng)成功地進行了改造，收到了可觀的技術(shù)經(jīng)濟效果，目前，硫酸主風機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及風機設(shè)備運行狀況比較平穩(wěn)。

3 節(jié)能分析及經(jīng)濟效益

3.1 節(jié)能分析

硫酸主風機調(diào)速系統(tǒng)改造前后的實際電耗見表3。

表3 硫酸主風機調(diào)速系統(tǒng)改造前后的實際電耗統(tǒng)計

由表3可知，硫酸主風機調(diào)速系統(tǒng)改造前后的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)SO2主風機平均功率由729.00 kW下降到644.00 kW，下降率為11.66%。

2)由于取消SO2主風機熱交換設(shè)備(板式換熱器)，減少了硫酸工藝系統(tǒng)循環(huán)水的用量，停開了1臺配套電機功率132 kW的循環(huán)冷卻水泵，按照低壓用電電表操表數(shù)統(tǒng)計，每月可節(jié)電59 560.00 kWh。

3)高壓變頻器損耗及調(diào)速系統(tǒng)的總損耗相對調(diào)速型液力偶合器系統(tǒng)的能耗低得多。

4)取消風機調(diào)速型液力偶合器，減少了設(shè)備故障發(fā)生，提高了系統(tǒng)的正常運行率，降低了停產(chǎn)損失及升溫過程中的能源消耗。

5)設(shè)備噪聲明顯降低，振動減少，保證了設(shè)備運行平穩(wěn)，降低了設(shè)備維修費用。

3.2 經(jīng)濟效益

1)按單臺風機計算節(jié)電效益：調(diào)速系統(tǒng)改造后硫酸主風機的直接平均功率由729.00 kW下降到644.00 kW，平均月節(jié)電量=542 600-479 320=63 280 kWh，全年按11個月生產(chǎn)時間、電價按0.5元/kWh計算，硫酸主風機年節(jié)約電費為34.8萬元。

2)按硫酸產(chǎn)品單耗下降幅度計算節(jié)電效益：調(diào)速系統(tǒng)改造后每月單位產(chǎn)品能耗由原來的135.89 kWh/t下降到114.72 kWh/t，按平均月產(chǎn)量10 000 t、全年11個月生產(chǎn)時間計算，調(diào)速系統(tǒng)改造后的年節(jié)電效益約116.4萬元。

4 結(jié)束語

湖南省某冶煉公司的硫酸主風機調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用高壓變頻器改造后，已經(jīng)平穩(wěn)運行了6個月時間，國產(chǎn)“新風光第六代高壓變頻器”調(diào)速裝置在硫酸主風機的應(yīng)用與改造是非常成功的。改造方案簡單合理，設(shè)備效率較高，回收投資期很短，按照硫酸產(chǎn)品單位電耗下降幅度計算，年節(jié)電效益高達116.4萬元，硫酸主風機調(diào)速系統(tǒng)的改造達到了預(yù)期的經(jīng)濟效果。