共直流母線節(jié)電技術(shù)在離心機(jī)上的應(yīng)用

胡慶保

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

銅冶煉行業(yè)中，污酸處理大多采用硫化—石膏—中和鐵鹽法，在石膏工序會(huì)產(chǎn)生大量的石膏，該部分石膏屬于一般固廢，后續(xù)處理和使用的方便性和經(jīng)濟(jì)性就顯得尤為重要。因此，通過使用先進(jìn)的污泥脫水設(shè)備以降低石膏含水率，減少后續(xù)利用難度，可以為石膏處置尋找更好的出路。

主要使用脫水離心機(jī)來分離石膏和水。離心機(jī)在工作中，首先將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)加速，然后往回轉(zhuǎn)腔體內(nèi)加入石膏與水的混合液體，經(jīng)過快速旋轉(zhuǎn)后，水透過濾網(wǎng)排出，石膏粉留在回轉(zhuǎn)腔內(nèi)，待水分離充分后，離心機(jī)減速直至停止，刮取機(jī)構(gòu)刮完回轉(zhuǎn)腔內(nèi)石膏粉后，完成一次循環(huán)。離心機(jī)就這樣頻繁的加速、減速進(jìn)行工作，加速時(shí)變頻器消耗能量，驅(qū)動(dòng)著電機(jī)對負(fù)載進(jìn)行加速，減速時(shí)負(fù)載機(jī)構(gòu)存在巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，會(huì)帶著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)處于第四象限運(yùn)行，處于發(fā)電狀態(tài)，電能回升至變頻器后，被制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻消耗，造成了能源的浪費(fèi)，違背了節(jié)能減排的政策［1］。如果能夠?qū)p速過程中，被制動(dòng)電阻消耗的能量回饋到電網(wǎng)進(jìn)行再次利用，既可以節(jié)約能源，又能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，可謂一舉兩得。

2 離心機(jī)數(shù)據(jù)分析

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，某生產(chǎn)車間的離心機(jī)設(shè)備型號(hào)規(guī)格主要分為兩類，其大致工況如下：

規(guī)格1：電機(jī)37kW，變頻器采用ABB公司ACS800 系列ACS800-01-0060-3；最大工作頻率約45Hz，減速時(shí)間3 分鐘，制動(dòng)過程中，輸出轉(zhuǎn)矩持續(xù)在50%左右。10 分鐘為一個(gè)周期。

規(guī)格2：電機(jī)132kW，采用AB 品牌變頻器，制動(dòng)電流約120A。輸出轉(zhuǎn)矩持續(xù)在50%左右，減速時(shí)間3 分鐘，最大頻率約45Hz，10min 為一個(gè)周期。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與功率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系：T=9550*P/N。T 為輸出轉(zhuǎn)矩；P 為功率；N 為轉(zhuǎn)速。減速過程中，恒扭矩，T 不變，則P 和N 是正比關(guān)系。

通過計(jì)算，規(guī)格1 系統(tǒng)減速過程中，電機(jī)的能量回饋為：

每小時(shí)電機(jī)回饋到變頻器的能量8991kJ ≈2.5kW·h，每年按照300 工作日約為18000kW·h

規(guī)格2 系統(tǒng)減速過程中，電機(jī)的能量回饋為：

每小時(shí)電機(jī)回饋到變頻器的能量32076kJ ≈8.91kW·h，每年按照300 工作日約為64152kW·h。

現(xiàn)場采用了制動(dòng)單元配合制動(dòng)電阻，共同消耗掉所有回升到變頻器的能量，能源浪費(fèi)非常嚴(yán)重。

2.3 節(jié)能方案分析

根據(jù)數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際情況，通過比較得出采用AFE 有源前端能量回饋系統(tǒng)是有效的能量回收方法。采用能量回饋系統(tǒng)后，制動(dòng)功耗通過能量回饋系統(tǒng)回饋到電網(wǎng)，此部分功耗能夠再利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，降低整體功耗。

應(yīng)用能量回饋系統(tǒng)后的節(jié)能率，以能量回饋系統(tǒng)的效率90%計(jì)算。

規(guī)格1 系統(tǒng)年回饋電能E=E1×90%=18000kW·h×90%=16200kW·h；

規(guī)格2 系統(tǒng)年回饋電能E=E1×90%=64152kW·h×90%=57736kW·h。

采用共直流母線很重要的一點(diǎn)就是上電時(shí)必須充分考慮到變頻器的控制、傳動(dòng)故障、負(fù)載特性和輸入主回路維護(hù)等［2］。

2.4 消諧節(jié)能分析

通過如下諧波畸變率產(chǎn)生的能耗表，分析變頻器產(chǎn)生的諧波導(dǎo)致的能耗消諧節(jié)電率△P*表，見表1。

表1 能耗消諧節(jié)電率△P*表

圖1 系統(tǒng)連接示意圖

由于現(xiàn)場變頻器數(shù)量較多，變頻器輸入端的電流諧波畸變較為明顯，加裝能量回饋系統(tǒng)后，諧波濾除率可達(dá)90%。

系統(tǒng)中的諧波電流無法被普通電表所計(jì)量，諧波導(dǎo)致的功耗主要是諧波電流產(chǎn)生的電纜、設(shè)備等發(fā)熱嚴(yán)重［3］，消耗的有功功率，所以無法計(jì)量的消諧節(jié)電率可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際的有功功率，以經(jīng)驗(yàn)推算，消除諧波后帶來的實(shí)際有功節(jié)能率為3%左右。

3 改造方案

3.1 改造方案

利用能量回饋裝置AFE，將能量回饋單元AFE 串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)變頻器的前端，能量回饋單元AFE 通過直流端子和變頻器相連，當(dāng)電機(jī)加速時(shí)，能量回饋單元AFE 為變頻器提供所需要的能量，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)發(fā)電，能量通過變頻器的直流端子傳遞到能量回饋單元，AFE 將這部分能量逆變成與電網(wǎng)的幅值、相位、頻率等完全一致的電源，回饋到電網(wǎng)中去，實(shí)現(xiàn)能量的回饋再利用［4］。同時(shí)在變頻器的整個(gè)工作時(shí)間，AFE 可以消除變頻器產(chǎn)生的諧波。

3.2 設(shè)備配置方案選擇

AFE 的配置需考慮變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率以及能量回饋時(shí)的功率，根據(jù)現(xiàn)場變頻器的型號(hào)以及額定功率，做出如下AFE 的選型配置。

表2 AFE 的選型配置表

4 工作原理分析

4.1 系統(tǒng)主接線示意圖

系統(tǒng)主接線示意圖見圖2。其中，B1—B4 接觸器控制AFE 的BYPASS。B3，B4 斷開的時(shí)候，B1，B2 投入，此時(shí)為正常不加AFE 的運(yùn)行模式；B1，B3，B4 閉合，B2 斷開為接入AFE 的節(jié)能模式。兩種模式的切換會(huì)通過柜體上的按鈕來實(shí)現(xiàn)，如果再生產(chǎn)過程中AFE 出現(xiàn)故障，那么可以手動(dòng)操作切換到普通模式，從故障發(fā)現(xiàn)到切換普通模式只需幾分鐘便可以使生產(chǎn)繼續(xù)。

圖2 系統(tǒng)主接線示意圖

4.2 對安裝位置與環(huán)境的要求

AFE 產(chǎn)品可單獨(dú)成柜，安裝在距離現(xiàn)場變頻柜較近的位置，使用電纜線連接。AFE 成柜可根據(jù)現(xiàn)場布置，多臺(tái)合柜。AFE 對環(huán)境的適應(yīng)性能與現(xiàn)場變頻器同等條件，使用環(huán)境溫度為-10℃到50℃，使用防護(hù)等級(jí)滿足要求的柜體。

5 產(chǎn)生的效益

根據(jù)智能工廠系統(tǒng)上對石膏電單耗的數(shù)據(jù)分析，得出表3 每月石膏生產(chǎn)用電情況。

表3 硫酸車間2019 年石膏生產(chǎn)月電單耗

自4 月份項(xiàng)目實(shí)施以來，石膏電單耗逐月下降，最低在10 月下降至4.6kW·h/t，11 月份出現(xiàn)反彈，經(jīng)分析是由于11 月開始大修，石膏濃度低，造成離心機(jī)負(fù)荷率較低，提升了電耗。硫酸車間平均年產(chǎn)石膏76000t，消耗總電量為83.4 萬kW·h，目前節(jié)電10%以上，每年可以節(jié)約用電8.34 萬kW·h。

能量回饋系統(tǒng)AFE 可以為變頻器提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，降低由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)導(dǎo)致的變頻器出力不足及無法正常工作的幾率。根據(jù)理論計(jì)算，變頻器通過能量回饋系統(tǒng)改造后，可以降低整體的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。使用直流母線方式供電,不僅改善整流器網(wǎng)側(cè)電流波形,還減少了電壓電流諧波對電網(wǎng)的污染；增大了功率因數(shù)，使有功功率得以回收利用，還降低了網(wǎng)側(cè)變壓器的容量［5］。

6 結(jié)束語

經(jīng)過能量回饋系統(tǒng)改造后，在節(jié)能率、諧波改善、設(shè)備發(fā)熱降低、故障率減少、變壓器和其他設(shè)備的使用壽命延長、生產(chǎn)效率提高等方面，都產(chǎn)生了積極的作用，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。