二次除塵風(fēng)機(jī)節(jié)能降耗及變頻改造方案

易 晟

（湖南華菱湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭411101）

轉(zhuǎn)爐二次除塵風(fēng)機(jī)原設(shè)計(jì)系統(tǒng)為1臺(tái)風(fēng)機(jī)機(jī)組、液力耦合器、除塵電機(jī)組成的一套調(diào)速的系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)風(fēng)量為110萬(wàn)m3，通過(guò)液力耦合器調(diào)節(jié)開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)除塵風(fēng)機(jī)的升降速。電機(jī)電壓為10 kV，額定電流為218 A，最大轉(zhuǎn)速為960 r/min。通過(guò)跟蹤分析發(fā)現(xiàn)二次除塵風(fēng)機(jī)一直為全壓?jiǎn)?dòng)，其啟動(dòng)電流很大一般為額定電流的4~7倍，這樣就造成瞬間系統(tǒng)電壓下降，影響了其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行；瞬間很大的啟動(dòng)電流形成了很強(qiáng)的磁場(chǎng)，影響了高壓線路上高壓設(shè)備的熱穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響了高壓線路上高壓設(shè)備的機(jī)械與電氣壽命。同時(shí)由于是液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)，其調(diào)速的調(diào)節(jié)精度差，調(diào)速范圍窄不具備經(jīng)常升降速能力，所以風(fēng)機(jī)一直處于額定轉(zhuǎn)速高速運(yùn)行狀態(tài)，故造成電能的很大一部分浪費(fèi)，不利于除塵風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗。因此，決定二次除塵風(fēng)機(jī)的液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)，改造為變頻器調(diào)速系統(tǒng)，并結(jié)合轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)工藝流程，優(yōu)化技術(shù)改造方案，合理解決了上述的諸多問(wèn)題，節(jié)能效果顯著。

1 二次除塵風(fēng)機(jī)變頻改造方案

1.1 改造方案

由于改造不是一步到位，所以對(duì)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造分為三個(gè)階段逐步進(jìn)行改造，達(dá)到對(duì)風(fēng)機(jī)的節(jié)能最大化。

1.1.1 第一階段改造

主要是對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了調(diào)整，根據(jù)爐座的生產(chǎn)情況來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。2個(gè)爐子全都生產(chǎn)的時(shí)候，風(fēng)機(jī)高速800 r/min運(yùn)行，一座轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)時(shí)中速750 r/min運(yùn)行，2座轉(zhuǎn)爐均短時(shí)間不生產(chǎn)時(shí)低速550 r/min運(yùn)行，當(dāng)超過(guò)4 h不生產(chǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)停機(jī)。通過(guò)這一階段的改造二次的日均電耗由原來(lái)的6.7萬(wàn)kWh下降到4.9萬(wàn)kWh，節(jié)能效果還是比較的顯著，但是其日均電耗還是有5萬(wàn)kWh比較高，仍有很大的節(jié)能空間。

1.1.2 第二階段改造

為了再進(jìn)一步降低電耗，車間決定對(duì)兩座轉(zhuǎn)爐爐口各增加2個(gè)風(fēng)門(mén)除塵閥來(lái)控制除塵風(fēng)量，減少風(fēng)機(jī)的風(fēng)量損失來(lái)達(dá)到節(jié)能效果。其主要措施為在1座轉(zhuǎn)爐不生產(chǎn)時(shí)，將其對(duì)應(yīng)的閥門(mén)關(guān)閉，減少風(fēng)量損失，用最合理的轉(zhuǎn)速得到最高的除塵效果。通過(guò)這一輪的改造使二次除塵風(fēng)機(jī)得到進(jìn)一步的優(yōu)化，電耗也進(jìn)一步的下降現(xiàn)基本保持在4.2萬(wàn)kWh左右。這一階段的改造雖電耗再次下降，但其日均能耗還是沒(méi)有達(dá)到節(jié)能的最大化。且全壓?jiǎn)?dòng)運(yùn)行和耦合器調(diào)速對(duì)風(fēng)機(jī)的能耗和設(shè)備本身的損耗還是很大的，主要原因?yàn)椋喝珘簡(jiǎn)?dòng)方式對(duì)電機(jī)的沖擊負(fù)荷影響加大，影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行；液力耦合器調(diào)速本身存在一定的能耗損失，且對(duì)轉(zhuǎn)速的精度定位不準(zhǔn)，不能有效地達(dá)到節(jié)能降耗的要求；全壓?jiǎn)?dòng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)噪音較大不利于設(shè)備點(diǎn)檢維護(hù)。

1.1.3 第三階段改造

由于2座轉(zhuǎn)爐在生產(chǎn)過(guò)程中因工藝流程和生產(chǎn)時(shí)間的變化所產(chǎn)生的煙塵量也存在很大的變化，故要求除塵風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)能按照不同生產(chǎn)階段，自動(dòng)改變風(fēng)機(jī)頻率，從而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低。

三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：

式中：f為供電電源頻率；P為三相異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；S是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

電動(dòng)機(jī)P、S是一定的，改變f，就可以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)理論分析，再配合轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝過(guò)程，可以最終確定變頻調(diào)速系統(tǒng)與生產(chǎn)工藝的最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，具體設(shè)計(jì)如下：

1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際要求摸索出單雙爐生產(chǎn)時(shí)所需要的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（單爐生產(chǎn)750 r/min，雙爐生產(chǎn)800 r/min，雙爐不生產(chǎn)550 r/min）。

2）利用2座轉(zhuǎn)爐的二次除塵吸風(fēng)口風(fēng)門(mén)電動(dòng)閥信號(hào)，來(lái)做為除塵風(fēng)機(jī)升降速的信號(hào)點(diǎn)，當(dāng)單爐生產(chǎn)時(shí)，不生產(chǎn)爐座的風(fēng)門(mén)電動(dòng)閥關(guān)閉，變頻器以37.5 Hz運(yùn)行輸出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min運(yùn)行；當(dāng)雙爐生產(chǎn)時(shí)2個(gè)爐座的風(fēng)門(mén)電動(dòng)閥都打開(kāi)，變頻器以40 Hz運(yùn)行輸出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min運(yùn)行；當(dāng)雙爐不生產(chǎn)時(shí)2個(gè)爐座的風(fēng)門(mén)電動(dòng)閥都關(guān)閉，變頻器以27.5 Hz運(yùn)行輸出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為550 r/min運(yùn)行。

綜合以上分析通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，既能在雙爐生產(chǎn)時(shí)，發(fā)揮出風(fēng)機(jī)最大除塵效果，又能在不生產(chǎn)低速運(yùn)行時(shí)，達(dá)到節(jié)能的目的。所以除塵風(fēng)機(jī)變頻改造方案，完全可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目的。

1.2 變頻控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本次變頻改造項(xiàng)目采用的是英威騰BVF5000系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。其工作原理：采用的是多單元串聯(lián)脈寬調(diào)制疊波技術(shù)，通過(guò)功率單元串聯(lián)，從電網(wǎng)的輸入電壓經(jīng)過(guò)移相變壓器，變成3×9路三相690 V的電壓（每相功率單元數(shù)為9個(gè)），然后分別給每個(gè)功率單元供電。每個(gè)單元采用H橋的方式，由主控系統(tǒng)控制每個(gè)H橋的PWM輸出；把同一相的單元輸出串聯(lián)起來(lái)，每相的第一個(gè)單元采用“Y”方式連接，三相最后一個(gè)單元合成高壓電壓輸出。所以線電壓=690×9×1.732=10 kV。

BVF5000系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由旁路柜、變壓器柜、功率單元柜、控制柜組成。

1.2.1 旁路柜

旁路柜的作用是在變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可將電機(jī)投入到工頻電網(wǎng)運(yùn)行，以保證生產(chǎn)的連續(xù)性，提高系統(tǒng)的可靠性。

工作原理：正常運(yùn)行時(shí)QS1、QS2閉合使用變頻器運(yùn)行，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)斷開(kāi)QS1、QS2開(kāi)關(guān)，閉合QS3開(kāi)關(guān)，再使用遠(yuǎn)程控制QF開(kāi)關(guān)閉合來(lái)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，這樣就能保證風(fēng)機(jī)的運(yùn)行（見(jiàn)圖1）。

圖1 電機(jī)的工作原理圖

1.2.2 變壓器柜

變壓器柜內(nèi)由移相變壓器、緩沖接觸器、緩沖電阻等及其他輔助原件組成（見(jiàn)圖2）。

圖2 變壓器柜內(nèi)部布局圖

移相變壓器為功率單元提供三相電源，實(shí)現(xiàn)高壓到低壓的轉(zhuǎn)化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)高低壓隔離作用。移相變壓器采用干式結(jié)構(gòu)，絕緣等級(jí)為H級(jí)，副邊采用多組移相延邊三角形接法為功率單元提供電源，減少了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的電源網(wǎng)側(cè)諧波。

1.2.3 功率單元柜

功率單元柜是系統(tǒng)的逆變器，是實(shí)現(xiàn)AC-DCAC轉(zhuǎn)換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。柜內(nèi)用于安裝功率單元以及輔助部件（見(jiàn)圖3）。

圖3 功率單元柜內(nèi)部布局圖

功率單元柜來(lái)放置功率單元，功率單元三相輸入通過(guò)高壓電纜與移相隔離變壓器副邊繞組對(duì)應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)移相隔離變壓器對(duì)功率單元的供電。功率單元在柜中擺成上下三行，每一行單元串聯(lián)為一相，形成A/B/C三相。靠近控制柜端的最后一個(gè)功率單元三相進(jìn)行“Y”連接?？拷儔浩鞴穸说牡谝粋€(gè)功率單元為高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出端，通過(guò)高壓電纜與變壓器柜輸出端子銅排連接。功率單元通過(guò)光纖與主控系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對(duì)功率單元的控制以及保護(hù)。

功率單元電路主要由主回路和控制回路組成。主回路包括保護(hù)、整流、濾波、逆變以及旁路組成（見(jiàn)圖4）。

圖4 功率單元原理圖

輸入電源端R/S/T接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，經(jīng)過(guò)三相全橋整流后給直流母線充電，然后通過(guò)H橋逆變成交流輸出。功率單元單相輸出端為：ACI/ACO。

單元控制回路通過(guò)接收來(lái)自主控系統(tǒng)的信號(hào)來(lái)控制整個(gè)單元的工作，同時(shí)功率單元也將自身的電壓、故障信息、狀態(tài)信息等信息通過(guò)光纖傳輸回主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元的監(jiān)控。

功率單元具有單元旁路功能，我們采用的是接觸器旁路。當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，功率單元可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旁路，保證變頻調(diào)速系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。

1.2.4 控制柜

控制柜是整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的大腦。是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的指揮、控制功能和自身保護(hù)功能。柜內(nèi)用于安裝主控系統(tǒng)以及二次控制回路系統(tǒng)、UPS電源等部件（見(jiàn)圖5）。

圖5 控制柜內(nèi)部布局圖

BVF5000系列變頻調(diào)速系統(tǒng)采用獨(dú)立的控制柜，與變壓器柜，功率單元柜高壓部分采用光纖或隔離變壓器以及專用的控制接地隔離開(kāi)來(lái)。

控制系統(tǒng)可以由三路電源供電：主電源供電、備用電源供電和UPS供電。當(dāng)主用電源無(wú)效時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用電源，當(dāng)主備用電源無(wú)效時(shí)，系統(tǒng)由UPS供電。某一路電源故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)告警。這樣保證系統(tǒng)可以用于最惡劣的電源環(huán)境。

同時(shí)控制系統(tǒng)有過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、過(guò)流、缺相、過(guò)溫、超速等保護(hù)功能。還有運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄功能、告警及故障保護(hù)功能、故障查詢功能、波形顯示功能。完善的保護(hù)功能設(shè)計(jì)，不僅保證了二次除塵風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的正常運(yùn)行。還方便運(yùn)行人員和維修人員辨別故障，節(jié)省了維修時(shí)間，提高了工作效率。

2 變頻系統(tǒng)改造的優(yōu)點(diǎn)

2.1 變頻系統(tǒng)改造的優(yōu)點(diǎn)[3]

1）在變頻改造后，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于額定電流值，啟動(dòng)更平滑。

2）有效地改善了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境，由于電機(jī)以及負(fù)載轉(zhuǎn)速下降，大大降低了設(shè)備噪聲污染。

3）功率因數(shù)提高到0.95以上，減少了線路損耗。

4）減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。采用變頻技術(shù)調(diào)速后，設(shè)備隨生產(chǎn)工藝變速運(yùn)行，大大降低了設(shè)備負(fù)荷率，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)、電機(jī)等設(shè)備的使用壽命。

5）變頻器具有多項(xiàng)保護(hù)功能，十分完善。與原來(lái)舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過(guò)流、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、溫升保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)功能，更精確地保護(hù)了電機(jī)。

6）調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高。與過(guò)去液力偶合器調(diào)速相比較，采用變頻拖動(dòng)風(fēng)機(jī)可以在0～50 Hz范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)頻率波動(dòng)可保持在0.1～0.01 Hz范圍內(nèi)，便于實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)化控制。

2.2 改造前后的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

改造前，二次除塵風(fēng)機(jī)全壓起動(dòng)高速運(yùn)行狀態(tài)下，每天的電耗約為6.7萬(wàn)kWh。

改造后，改造的三個(gè)階段，第一階段日均電耗下降到4.9萬(wàn)kWh，第二階段日均電耗下降到4.2萬(wàn)kWh，第三階段變頻改造完成后日均電耗下降到3.2萬(wàn)kWh。

通過(guò)改造前后的對(duì)比日均電耗節(jié)約了6.7-3.2=3.5萬(wàn)kWh。

其創(chuàng)造的效益(以年效益計(jì)算)=3.5×0.6×365=766.5萬(wàn)元（工業(yè)用電按0.6元/kWh算）

3 結(jié)語(yǔ)

二次除塵風(fēng)機(jī)通過(guò)本次節(jié)能降耗變頻改造后節(jié)能效果顯著，風(fēng)機(jī)的設(shè)備綜合運(yùn)行效率大大提高，對(duì)轉(zhuǎn)爐的除塵環(huán)保起到重要的作用。