唐百發(fā)

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

江西銅業(yè)（德興）化工有限公司坐落在德興市香屯工業(yè)園，是近年來加強(qiáng)地礦合作、靠大聯(lián)大，實現(xiàn)雙贏的一個重點招商引資項目。主導(dǎo)產(chǎn)品有：年產(chǎn)10.2萬t 98%工業(yè)硫酸，年產(chǎn)高品位硫酸渣（鐵精礦）4.2萬t，年余熱發(fā)電1800萬kW·h，采用氧化焙燒→酸洗凈化→“3+1”兩轉(zhuǎn)兩吸→余熱發(fā)電工藝和DCS系統(tǒng)自動控制，回收高、中溫位廢熱用于發(fā)電，廢水循環(huán)利用，產(chǎn)出稀酸用于礦山廢石堆浸和選礦作業(yè)，制酸硫酸渣含鐵64%以上，作為鋼鐵廠燒結(jié)球團(tuán)的優(yōu)質(zhì)原料，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

目前SO2風(fēng)機(jī)（800kW/6kV）進(jìn)口閥門開度為40%左右，電機(jī)運行電流80A左右，依據(jù)節(jié)能測算，具有一定的節(jié)能改造空間，以降低電機(jī)耗能，節(jié)約生產(chǎn)用電。

2 SO2風(fēng)機(jī)現(xiàn)狀分析

目前SO2風(fēng)機(jī)（800kW/6kV）采用水阻啟動形式，水阻啟動完成后電機(jī)轉(zhuǎn)入工頻全速運行，如因生產(chǎn)工藝需要，需調(diào)整風(fēng)機(jī)出口壓力時，需要操作工到現(xiàn)場手動盤動進(jìn)口風(fēng)管上的風(fēng)門控制閥來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口管道壓力，以滿足生產(chǎn)的需求。經(jīng)現(xiàn)場實地檢驗考察，根據(jù)生產(chǎn)情況的不同，風(fēng)機(jī)出口壓力變化范圍為25～32kPa。調(diào)節(jié)閥是安裝在現(xiàn)場高處平臺上，此處的有害氣體濃度較高，噪聲較大，操作工調(diào)節(jié)時存在著一定的安全風(fēng)險。另外，手動調(diào)節(jié)的響應(yīng)時間是比較長的。

SO2風(fēng)機(jī)在實際生產(chǎn)中由于生產(chǎn)工藝過程的變化，會帶來工況的波動，使大部分風(fēng)機(jī)工作區(qū)間在非額定工作狀態(tài)，只能采用百葉窗式擋板閥門調(diào)節(jié)流量的傳統(tǒng)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，增大了供風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)流損失，導(dǎo)致了大量的能量損耗在擋板截流過程中（對風(fēng)機(jī)而言，最有效的節(jié)能措施是采用電機(jī)調(diào)速調(diào)節(jié)流量，由于風(fēng)機(jī)為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率大大下降。）。

SO2風(fēng)機(jī)由于采取增加風(fēng)阻、電機(jī)能耗及犧牲風(fēng)機(jī)效率的傳統(tǒng)擋板調(diào)節(jié)方式來達(dá)到流量的調(diào)節(jié)，所以煙氣對擋板閥門和管道沖擊較大，風(fēng)機(jī)等相關(guān)設(shè)備運行及維護(hù)稍不小心，就會嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備。

SO2風(fēng)機(jī)的擋板閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)為角行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，故障較多，不能適應(yīng)長期頻繁調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)線性度差，較難實行閉環(huán)自動控制，且動態(tài)性能不理想，即使在控制系統(tǒng)反饋信號顯示為100%時，百葉窗實際調(diào)節(jié)角度也只有80°左右，從而加大了風(fēng)阻，增加了電機(jī)能耗及設(shè)備損耗，有一部份的能量損耗在擋板上，把浪費的這部分能量節(jié)省下來，也就是節(jié)電了。

SO2風(fēng)機(jī)采用直接啟動時，啟動電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的6～8倍，即便選用水電阻、軟啟動的方式，啟動電流也會達(dá)到電機(jī)額定電流的2～5倍，仍然會對電網(wǎng)造成的較大沖擊。

如上所述，SO2風(fēng)機(jī)在實際生產(chǎn)中由于工況的波動，大多數(shù)情況下并不需要額定的參數(shù)流量，因此，風(fēng)機(jī)消耗電能所提供的穩(wěn)定的風(fēng)機(jī)功率及壓力的一部分浪費在調(diào)節(jié)擋板上了［1］。

3 節(jié)能改造系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 保證電機(jī)溫升在安全范圍以內(nèi)

節(jié)電系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制技術(shù)，融合了電機(jī)磁通優(yōu)化控制、電機(jī)立體模擬控制、變頻控制等先進(jìn)技術(shù)于一體，在對普通異步電機(jī)節(jié)能改造過程中，充分考慮了電機(jī)結(jié)構(gòu)及散熱方式。針對風(fēng)冷散熱形式的高壓電機(jī)，DS9000高壓節(jié)電系統(tǒng)在改變電機(jī)運轉(zhuǎn)速度的同時，也降低了電機(jī)電流，使得電機(jī)自身發(fā)熱量也跟隨降低。

電機(jī)自身發(fā)熱由其轉(zhuǎn)軸自帶的風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，散熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量也隨機(jī)降低，結(jié)合電機(jī)自身發(fā)熱量P=I2R，在節(jié)電改造過程中，不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)，故公式中R保持不變，發(fā)熱量與電流I成平方關(guān)系，即電機(jī)在調(diào)速過程中減小電流量與減小的發(fā)熱量成平方關(guān)系，在電機(jī)電流降10%時，發(fā)熱量降低約19%；同時，結(jié)合散熱風(fēng)機(jī)運行曲線（圖1）。

圖1 轉(zhuǎn)速與風(fēng)量曲線關(guān)系圖

圖1中H為轉(zhuǎn)速，Q為風(fēng)量，轉(zhuǎn)速與風(fēng)量成曲線關(guān)系，當(dāng)電機(jī)電流降低10%時，轉(zhuǎn)速約降低7%，根據(jù)圖1可看出，轉(zhuǎn)速由最高速降低時，風(fēng)量沒有明顯降低，即轉(zhuǎn)速降低7%時，散熱風(fēng)量依然可達(dá)到90%，故散熱風(fēng)機(jī)自身散熱量足以滿足電機(jī)調(diào)速需求。

此外，節(jié)電系統(tǒng)采用先進(jìn)的磁通優(yōu)化控制技術(shù)，在電機(jī)運行過程中，優(yōu)化電機(jī)磁通，提高電機(jī)運行效率，在同等轉(zhuǎn)速情況下，進(jìn)一步降低電機(jī)運行電流，減小電機(jī)自身散熱。

實際應(yīng)用過程中，在采用一系列先進(jìn)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各廠家電機(jī)制造工藝差別等因素，節(jié)電改造后，電機(jī)溫度變化由實際運行工況決定。普通異步電機(jī)改造后電機(jī)溫度與現(xiàn)有工頻運行的溫度相比變化不大，如果均能控制在10%以內(nèi)的話，完全能滿足電機(jī)長期安全穩(wěn)定運行要求。

3.2 能實現(xiàn)無沖擊軟啟動，啟動可靠

采用節(jié)電控制技術(shù)控制SO2風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)，電機(jī)能實現(xiàn)軟啟軟停，啟動電流不超過電機(jī)額定電流的1.2倍，減少了風(fēng)機(jī)啟動過程中大電流對電網(wǎng)的沖擊，電機(jī)使用壽命延長。同時還降低了SO2風(fēng)機(jī)啟動負(fù)荷對變壓器容量需求，節(jié)約成本。在整個運行范圍內(nèi)，電機(jī)可保證運行平穩(wěn)，損耗減小，溫升正常，減少機(jī)械損傷，降低維修成本。節(jié)電控制技術(shù)以高可靠電子元器件為基礎(chǔ)，啟動過程快速可靠，啟動次數(shù)不受限制。采用節(jié)電控制技術(shù)可在額定電流以下，低轉(zhuǎn)速時達(dá)到100%啟動轉(zhuǎn)矩，過載能力可達(dá)到電機(jī)額定功率的150%以上，滿足各種工況的啟動、運行需求。

3.3 節(jié)能運行，降低運行成本

采用節(jié)電控制技術(shù)，可根據(jù)實際需要調(diào)整運行速度，只需調(diào)整節(jié)電系統(tǒng)輸出頻率即可直接改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)效率高，沒有其他過多能量傳遞損失，節(jié)電效果明顯，可達(dá)到15%～40%節(jié)能效果。

3.4 操作簡便，極易控制速度

采用節(jié)電控制，只需在節(jié)電系統(tǒng)柜門上或者遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)即可控制設(shè)備的啟停，還可根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)節(jié)電系統(tǒng)運行輸出頻率，控制運行速度，調(diào)速范圍0～50Hz，控制精度可達(dá)到0.01Hz，滿足不同工況的應(yīng)用需求。

3.5 提高功率因數(shù)

電機(jī)直接由水阻啟動時，滿載時功率因數(shù)為0.8～0.9，實際運行功率因數(shù)遠(yuǎn)低于額定值。采用節(jié)電系統(tǒng)控制，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.95以上，大大的減少無功功率的吸收，進(jìn)一步節(jié)約上游設(shè)備的運行費用。

3.6 增強(qiáng)電機(jī)的保護(hù)功能和可靠性

與水阻啟動系統(tǒng)相比較，節(jié)電系統(tǒng)具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項保護(hù)功能，更可靠地保護(hù)了電機(jī)和配電設(shè)施。節(jié)電調(diào)速系統(tǒng)適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動能力強(qiáng)，電壓工作范圍寬，電網(wǎng)電壓在-25%～+15%之間波動時，系統(tǒng)均可正常運行。

3.7 實現(xiàn)高度自動化控制

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)電腦聯(lián)鎖控制，機(jī)組實現(xiàn)自動運行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報警，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化生產(chǎn)運營提供了可靠的保證。實現(xiàn)了設(shè)備運行人員由手動操作轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全可以實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，也就大大降低了勞動強(qiáng)度與維護(hù)費用。采用節(jié)電控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能；轉(zhuǎn)速降低，主設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備如軸承等磨損較以前減輕，維護(hù)周期、設(shè)備運行壽命延長。在使用節(jié)電系統(tǒng)過程中，只需定期對節(jié)電系統(tǒng)除塵，通電測試，大大減輕了維護(hù)工作。

節(jié)電系統(tǒng)實現(xiàn)電機(jī)軟啟動，無電流沖擊，無電網(wǎng)壓降，有效降低電機(jī)啟動對同網(wǎng)其他設(shè)備影響，同時與其他方式相比，降低電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的容量要求：降低變壓器、電氣保護(hù)開關(guān)、裝置、電纜等設(shè)備需求容量，投資成本下降。該系統(tǒng)基于可靠的自動控制系統(tǒng)，無需定期更換電氣元器件，正常情況下只需定期對相關(guān)電氣控制柜清理除塵即可，維護(hù)成本低［3-8］。

4 節(jié)能控制系統(tǒng)

如圖2所示節(jié)能主控制器主要通過人機(jī)界面來讀取狀態(tài)實時數(shù)據(jù)、查詢各具體參數(shù)、以及對各相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。柜門聯(lián)鎖故障、變壓器溫度報警、負(fù)載欠載、個別單元旁路等發(fā)生故障時，節(jié)電器面板上的故障指示燈就會亮，輕故障繼電器動作工作，人機(jī)界面的面板上就可以查到故障點的具體信息。當(dāng)輕故障存在報警時，如果故障點自動消失的話，報警系統(tǒng)就自動取消，故障指示燈就自動熄滅，輕故障是可以不需要復(fù)位的，但是有些單元旁路出現(xiàn)輕故障時，節(jié)電器就會自動降頻率運行，這樣就對生產(chǎn)、設(shè)備產(chǎn)生影響，這種情況下就得復(fù)位解決。多個單元旁路、輸入缺項、變壓器過熱跳閘、電機(jī)過載、電機(jī)過流、外部緊急停車跳閘、系統(tǒng)故障、閉環(huán)運行時反饋電流信號掉線等故障點發(fā)生時，節(jié)電器面板上的故障指示燈就會亮，重故障繼電器動作工作，節(jié)電器停止運行，對高壓分?jǐn)喟l(fā)出指令，人機(jī)界面的面板上就可以查到故障點的具體信息。重故障一旦發(fā)生，故障指示燈、高壓分?jǐn)嗟认嚓P(guān)指令也一直存在，哪怕此時故障點自行消失，這種情況下只有故障點被徹底解決，并且還得通過人機(jī)界面的“RESET”或者控制面板上的重故障復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位。節(jié)電器具有相當(dāng)高的智能化水平與完善的故障檢測電路，并能對故障定位。

圖2 SO2風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)圖

5 節(jié)能系統(tǒng)改造

5.1 電氣控制系統(tǒng)改造

根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)工藝要求，改造一期SO2風(fēng)機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場的負(fù)載情況，選配適合相關(guān)系列高壓節(jié)電設(shè)備及智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)得具有設(shè)計余量大、過載能力強(qiáng)、操作方便、強(qiáng)大的電機(jī)風(fēng)機(jī)參數(shù)運行記錄功能、安全可靠的檢測系統(tǒng)功能、對系統(tǒng)過載過流等及時作出判斷并保護(hù)、確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全可靠運行、質(zhì)量優(yōu)質(zhì)等特點。同時還得保留現(xiàn)有水阻軟啟動方式，才能為一期SO2風(fēng)機(jī)的可靠運行提供更加完備的保證。

圖3中高壓電源、QF斷路器柜、水阻柜及電機(jī)為原有，新增1套智能控制柜，1套一拖一手動旁路柜（含QS1、QS2），1套高壓節(jié)電控制系統(tǒng)。目前一期SO2風(fēng)機(jī)啟動方式為水電阻啟動，在改造過程中，需對現(xiàn)有水阻柜進(jìn)行相應(yīng)電氣改造，以實現(xiàn)一期SO2風(fēng)機(jī)電機(jī)節(jié)能/工頻模式均能正常工作，相互不干擾；節(jié)能運行時，QS2閉合至QS22位置，水阻柜中旁路接觸器及星點柜需自動合閘，此時節(jié)電系統(tǒng)輸出直接通過水阻柜旁路直接拖動電機(jī)運行；當(dāng)節(jié)電系統(tǒng)發(fā)生故障時，QS2閉合至QS21位置，水阻柜中旁路接觸器及星點柜需自動分閘，恢復(fù)至現(xiàn)有水阻啟動狀態(tài)，電機(jī)可由現(xiàn)有水阻系統(tǒng)控制啟動，保持生產(chǎn)持續(xù)性。

圖3 SO2風(fēng)機(jī)一次原理圖

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在增加節(jié)電控制系統(tǒng)的同時，還需敷設(shè)2根主動力電纜，一根由現(xiàn)有高壓開關(guān)至節(jié)電控制系統(tǒng)，另外一根由節(jié)電控制系統(tǒng)敷設(shè)至現(xiàn)有水阻柜進(jìn)線處，拆除現(xiàn)有開關(guān)柜到現(xiàn)有水阻柜的高壓連接電纜；敷設(shè)2根控制電纜，一根由節(jié)電控制系統(tǒng)至現(xiàn)有DCS控制柜中，另一根控制電纜從節(jié)電控制系統(tǒng)至現(xiàn)有水阻柜中。

5.2 冷卻系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場勘察，現(xiàn)場環(huán)境中的SO2腐蝕性氣體濃度較高，對金屬設(shè)備腐蝕嚴(yán)重從而造成設(shè)備損壞。為了設(shè)備長期穩(wěn)定的運行和設(shè)備的較長使用壽命，此次改造過程中，將節(jié)電系統(tǒng)設(shè)備安裝于密閉房間內(nèi)，使用空調(diào)散熱，暫配置2臺5P制冷空調(diào)，以減少設(shè)備與外界腐蝕氣體直接接觸，延長設(shè)備使用壽命。室內(nèi)空調(diào)冷卻形式要求房間密閉，制冷效果好，能保持室內(nèi)良好的清潔環(huán)境，為提高節(jié)電器運行穩(wěn)定性、延長使用壽命提供優(yōu)質(zhì)保障。

表1 50Hz狀態(tài)與46Hz狀態(tài)下電能數(shù)據(jù)表

5.3 節(jié)能狀況

如表1所示，根據(jù)“智能節(jié)電監(jiān)控系統(tǒng)控制屏節(jié)能電表電量累記”的數(shù)據(jù)，分別在50Hz正常運行下和46Hz正常狀態(tài)運行下對其中連續(xù)4天在同一時間點的電量進(jìn)行了如下記錄，表中第1天、第2天、第3天、第4天對應(yīng)的數(shù)據(jù)為該頻率狀態(tài)下當(dāng)時的總累計電量值，所以用第4天的值減去第1天的值為該狀態(tài)下的3天總能耗，50Hz狀態(tài)下3天共耗能51498kW·h，46Hz狀態(tài)下3天共耗能44536kW·h，通過數(shù)據(jù)可以看出46Hz正常運行狀態(tài)下運行比在工頻狀態(tài)下運行每小時少耗電能96.69kW·h。

6 結(jié)語

使用節(jié)能裝置后，中控工操作相對簡單多了，可通過調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率來對系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，省去頻繁聯(lián)系現(xiàn)場崗位工開風(fēng)機(jī)入口閥，減少了現(xiàn)場崗位工的工作強(qiáng)度；對系統(tǒng)突發(fā)情況如焙燒下料口倒煙等，可通過中控調(diào)節(jié)SO2風(fēng)機(jī)頻率來控制負(fù)荷，比改造前調(diào)整的更及時、迅速、方便。對于設(shè)備而言，原先采用軟起水阻啟動，開停對電流沖擊大、電能損耗大、電網(wǎng)沖擊大、無功消耗大；改造后，有利于保護(hù)設(shè)備，提高設(shè)備的使用壽命，降低開車時對電網(wǎng)的沖擊，穩(wěn)定系統(tǒng)開車。

節(jié)能改造后，對SO2風(fēng)機(jī)在工頻運行和46Hz運行下進(jìn)行對比、計算，兩種頻率運行下從記錄數(shù)據(jù)上看電量下降了，正常情況下每小時節(jié)約電能96.69kW·h，其他數(shù)據(jù)正常。SO2風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)還未出現(xiàn)過紕漏，這也證明了一期SO2風(fēng)機(jī)節(jié)能控制設(shè)計的合理性、安全性和可靠性，因此我們在今后的節(jié)能改造設(shè)計中，可以借鑒此類設(shè)計思路。