蔣 森

（唐山鋼鐵設(shè)計研究院有限公司，河北唐山063000）

某鋼鐵企業(yè)建有煉鐵550 m3高爐一座，高爐出鐵廠除塵風(fēng)機為800 kW三相異步電機，為了相應(yīng)國家節(jié)能減排號召，廠方?jīng)Q定對風(fēng)機進行節(jié)能改造。

1 現(xiàn)場情況

除塵風(fēng)機輸出功率不能隨生產(chǎn)負荷變化而變化，只有通過改變風(fēng)門、檔板的開度來調(diào)整，這導(dǎo)致負載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節(jié)流損失中。雖然高爐出鐵廠除塵風(fēng)機使用了液力耦合器調(diào)速，但由于液力耦合器運轉(zhuǎn)效率比較低，維護工作量大，軸封、軸承等部件經(jīng)常需要更換，致使大量能量以及人力、物力的浪費。具體存在著如下問題：

（1）調(diào)速范圍有限為50%～95%，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；

（2）調(diào)速越低時，效率越低，低速時發(fā)熱厲害；

（3）調(diào)速精度低，線性度差，響應(yīng)慢，不大適應(yīng)自動控制要求；

（4）電機雖然可以不帶載啟動，但仍然有5倍左右的沖擊電流，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；

（5）必須串入電機和機械的連接軸中，不適合于設(shè)備改造，液力耦合器故障時，沒有工頻旁路系統(tǒng)，負載機械將無法運轉(zhuǎn)，必須停機檢修。

2 系統(tǒng)解決方案說明

為了提高高爐出鐵廠的生產(chǎn)效率、降低能耗以及系統(tǒng)的綜合可靠性，擬采用全數(shù)字交流高壓變頻器實施控制。利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的改變設(shè)備的運行速度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場工況所需風(fēng)壓、風(fēng)量的大小，大大提高系統(tǒng)的自動化程度，既滿足生產(chǎn)要求，又達到了節(jié)約電能的目的。

一拖一系統(tǒng)成套設(shè)計方案，是變頻器配帶旁路的典型方案。原理是由3個高壓開關(guān)QS1、QS2和QS3和高壓開關(guān)QF、電動機M組成（見圖1）。要求QS2和QS3之間存在機械互鎖邏輯，不能同時閉合。變頻運行時，QS3斷開，QS1和QS2閉合；工頻運行時，QS1和QS2斷開，QS3閉合。高壓開關(guān)QF、電動機M為現(xiàn)場原有設(shè)備。

圖1 一拖一系統(tǒng)成套設(shè)計方案

采用利德華福完美無諧波系列高壓變頻器。該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式，實現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染極小、輸入功率因數(shù)高、輸出波形質(zhì)量好、不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用原有的普通異步電機，不需要更換電機。

采用高壓變頻調(diào)速控制后，采用開閉閥門與除塵風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制方式。由于生產(chǎn)工藝的要求，除塵風(fēng)機需要在煉鐵時停止除塵，在出鐵時開始除塵。因此，變頻調(diào)速裝置在煉鐵時低速運行，出鐵時高速運行。當(dāng)所有的出鐵口煙塵撲集罩閥門全部打開時，風(fēng)機以最高轉(zhuǎn)速運行，其他情況在保證每一煙罩除塵效果的前提下，根據(jù)煙罩閥門的開、關(guān)情況自動調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，盡量降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速，則可達到節(jié)約電能的目的。

3 方案應(yīng)用預(yù)期效果

3.1 節(jié)能分析

（1）現(xiàn)場工況及負載技術(shù)數(shù)據(jù)（見表1）。

（2）工頻狀態(tài)下的耗電量計算。

Pd為電動機功率；

Cd為年耗電量值；

U為電動機輸入電壓；

I為電動機輸入電流；

表1 出鐵廠除塵風(fēng)機運行參數(shù)表

cos φ為功率因子；

T為年運行時間；

δ為單負荷運行時間百分比。

根據(jù)式（1）、式（2），通過計算，可得出工頻情況下各負載的耗電量如表2。

表2 工頻情況下各負載的耗電量表

綜合高速、低速運行的時間，計算出平均工頻運行功率如表3。

表3 平均工頻運行功率表

（3）變頻狀態(tài)下的年耗電量計算。對于風(fēng)機負載（系統(tǒng)變頻改造前有液耦調(diào)速設(shè)備）計算如下：

因為不管是用液耦調(diào)速還是變頻調(diào)速，所需要的風(fēng)機軸功率是相同的，得出公式

其中，

Pd為液耦時工頻功耗；

Pb為變頻時功耗；

P'為風(fēng)機軸功率；

ηd為電機效率；

ηy為液耦效率；

ηb為變頻器效率。

由液力耦合器的運行特性可知，

其中，

n'為風(fēng)機實際轉(zhuǎn)速；

n0為電機額定轉(zhuǎn)速。

累計年耗電量公式

其中，

Cb為年耗電量值；

Cb為變頻時功耗；

T為年運行時間；

δ為單負荷運行時間百分比。

變頻器的效率曲線可從圖2中查出。

圖2 變頻器的效率曲線

根據(jù)算式（3）、（4）、（5），通過計算可得出變頻情況下各負載的耗電量如表4。

表4 變頻情況下各負載的耗電量

根據(jù)加權(quán)時間得出設(shè)備在變頻調(diào)速下運行的平均功率如表5。

表5 在變頻調(diào)速下運行的平均功率表

（4）節(jié)能計算。

變頻改造后，根據(jù)算式（6）、式（7），可計算出各負載上變頻后與工頻相比每年的節(jié)電情況如表6。

表6 除塵風(fēng)機年節(jié)電數(shù)據(jù)表

（5）投資回收期。

3.2 應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果

（1）維護量減少。采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是為了降低電機的轉(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件的壽命；同時極大地減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護開支，節(jié)約大量維護費用。

（2）工作強度降低。由于調(diào)速系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖控制，機組實現(xiàn)自動運行和相應(yīng)的保護及故障報警，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證。

（3）減少了對電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對電機機械損傷，有效延長了電機的使用壽命。

4 結(jié)束語

通過使用高壓變頻裝置，圓滿完成了出鐵廠風(fēng)機的節(jié)能改造，系統(tǒng)已經(jīng)可靠運行6個月，節(jié)能效果顯著，受到了用戶肯定和好評，同時也為其他鋼鐵企業(yè)風(fēng)機類負載的節(jié)能改造提供借鑒。

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