摘 要：為解決建龍集團(tuán)煉鐵廠熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)浪費(fèi)嚴(yán)重這一問(wèn)題，采用高壓變頻器對(duì)熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)變頻改造具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐 助燃風(fēng)機(jī) 高壓變頻器 節(jié)能
1、引言
變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善設(shè)備的運(yùn)行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。而通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度的大小來(lái)調(diào)整受控對(duì)象的方法，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。隨著當(dāng)今社會(huì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)這類(lèi)負(fù)載進(jìn)行改造，成為社會(huì)的潮流。
2、 改造現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備
吉林建龍集團(tuán)煉鐵廠1#、2#高爐分別有2個(gè)助燃風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為：SFG17.5F-C5A，配備電機(jī)YKK500-4，800kW/10kV。風(fēng)機(jī)改造前使用高壓柜直接啟動(dòng)，電機(jī)采用工頻運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)閥開(kāi)度和放散閥開(kāi)度滿足工藝要求，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)閥開(kāi)度在40%～60%，電機(jī)電流28～36A，大量的能量都被消耗在風(fēng)門(mén)擋板上了，風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲大，電機(jī)低負(fù)載率，功率因數(shù)低。助燃風(fēng)機(jī)送風(fēng)壓力不穩(wěn)，影響了熱風(fēng)爐正常燒爐送風(fēng)。因此助燃風(fēng)機(jī)的改造勢(shì)在必行。2012年技改項(xiàng)目中，熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造，取得了明顯效果。
1#、2#高爐助燃風(fēng)機(jī)型號(hào)相同，其設(shè)備參數(shù)如表1所示。
3、助燃風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能原理
煉鐵廠高爐助燃風(fēng)機(jī)的作用是抽取大氣中的空氣，引入熱風(fēng)爐中為其助燃燒爐，是保證高爐正常生產(chǎn)的重要設(shè)備。助燃風(fēng)機(jī)通常情況下根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)風(fēng)量、空氣溫度、熱風(fēng)放散量等指標(biāo)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況。常用的控制手段是調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度的大小來(lái)調(diào)整受控對(duì)象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門(mén)、擋板的節(jié)流損失和熱風(fēng)放散損失掉了。在生產(chǎn)過(guò)程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用居高不下。
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f(1-s)/p，(式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù));變頻器通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率f達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學(xué)相似定律： Q1/Q2=n1/n2 輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;
H1/H2=(n1/n2)2 輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比;
P1/P2=(n1/n2)3輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，則會(huì)使大量電能白白消耗在擋板上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨風(fēng)量的減小大幅度下降?？梢?jiàn)，通過(guò)變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
4、風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)
風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEE519-1992的諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機(jī)。風(fēng)光高壓變頻器被評(píng)為中國(guó)名牌產(chǎn)品。具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。
(2)飛車(chē)啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。
(3)完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應(yīng)于無(wú)備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程不會(huì)對(duì)用戶(hù)設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。
(4)旋轉(zhuǎn)中再啟動(dòng)功能。運(yùn)行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動(dòng)運(yùn)行到掉電前的頻率。
(5)線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)(星點(diǎn)漂移技術(shù))。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
(6)單元直流電壓檢測(cè)：實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。
(7)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專(zhuān)利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。
(8)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu)，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過(guò)壓范圍(≥1.15Ue)，設(shè)備可靠性更高。
(9)具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。
(10)限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過(guò)設(shè)定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負(fù)載突然變化而引起的過(guò)流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù)。
(11)故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過(guò)電流保護(hù)時(shí)，可自動(dòng)復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。
5、改造方案
熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)目前的控制方式主要根據(jù)熱風(fēng)爐助燃風(fēng)量的需求，通過(guò)高壓變頻器實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況。采用變頻器后保持進(jìn)風(fēng)閥全開(kāi)，根據(jù)生產(chǎn)需要人工操作調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)可隨時(shí)隨意改變送風(fēng)量以適應(yīng)變化，保持風(fēng)機(jī)的正常經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
通過(guò)目前已有的DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻器頻率轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)助燃風(fēng)機(jī)風(fēng)量。利用DCS對(duì)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、調(diào)速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。操作方面，有遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統(tǒng)的安全性能。變頻器包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)(如RS485)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶(hù)的需要擴(kuò)展控制開(kāi)關(guān)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對(duì)助燃風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行，既保證和改善了工藝，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。
此外，為了保證系統(tǒng)的可靠性，助燃風(fēng)機(jī)引風(fēng)機(jī)現(xiàn)有的控制設(shè)備和運(yùn)行方式仍將保留，控制回路上設(shè)計(jì)工頻/變頻運(yùn)行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實(shí)現(xiàn)助燃風(fēng)機(jī)在工頻或變頻運(yùn)行。
6、變頻改造主回路
煉鐵廠1#、2#高爐熱風(fēng)爐4臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)選用風(fēng)光JD-BP38-800F高壓變頻器2臺(tái)，變頻器配置手動(dòng)旁路柜，用于變頻/工頻切換。采用“一拖二”變頻控制。
1#高爐熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)2臺(tái)，采用一用一備。變頻改造采用2臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)共用一套高壓變頻器，2#高爐熱風(fēng)爐2臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)共用一套高壓變頻器。以1#高爐2臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)為例說(shuō)明控制過(guò)程。其一次系統(tǒng)接線圖路如圖1所示，通過(guò)切換高壓隔離開(kāi)關(guān)把高壓變頻器切換到要運(yùn)行的風(fēng)機(jī)上去。如圖所示高壓變頻器可以拖動(dòng)1#風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行，也可以通過(guò)切換拖動(dòng)2#風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。1#、2#風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)均具備工頻旁路功能。
圖1 高壓變頻一次系統(tǒng)接線圖
QF1和QF2分別為1#和2#助燃風(fēng)機(jī)電源高壓斷路器;
QS11和QS21分別為1#、2#助燃風(fēng)機(jī)電源高壓隔離開(kāi)關(guān);
QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開(kāi)關(guān)柜高壓隔離開(kāi)關(guān);
變頻器為風(fēng)光JD-BP38-800F高壓變頻器。
高壓變頻器控制電機(jī)為一拖二控制，旁路開(kāi)關(guān)柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，變頻器運(yùn)行時(shí)，要求QS11或QS21閉合。QS11、QS12閉合，QS21、QS22斷開(kāi)，QS13斷開(kāi)，1#風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行;QS12斷開(kāi)，QS13閉合1#風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行;QS21、QS22閉合，QS11、QS12斷開(kāi)，QS23斷開(kāi)，2#風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行;QS22斷開(kāi)，QS23閉合，2#風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行;其中，QS12與QS13、QS22電氣互鎖，QS22與QS23、QS12電氣互鎖;QS11、QS21電氣互鎖;將控制柜“遠(yuǎn)控/本控”開(kāi)關(guān)打至“遠(yuǎn)控”位置，將相應(yīng)風(fēng)機(jī)斷路器“就地/遠(yuǎn)方”開(kāi)關(guān)打至“遠(yuǎn)方”位置，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)控操作。
7、改造節(jié)能效果
熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)變頻改造后，兩套高壓變頻器2012年11月份一次性投入生產(chǎn)，至今運(yùn)行正常。經(jīng)過(guò)廠節(jié)能服務(wù)中心測(cè)試，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。風(fēng)機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，電機(jī)電流有明顯下降，降低了風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲，改善了設(shè)備的運(yùn)行工況。
1#高爐助燃風(fēng)機(jī)供3臺(tái)熱風(fēng)爐送風(fēng)，采用一用一備。2#高爐狀況與1#高爐相同。根據(jù)高爐工藝要求，3座熱風(fēng)爐采用兩燒一送，約2小時(shí)換爐一次，風(fēng)門(mén)開(kāi)度60%，換爐操作時(shí)間約10min，雙燒時(shí)間約占80%，單燒時(shí)間約占20%，工頻雙燒時(shí)，電機(jī)電流36A，風(fēng)機(jī)消耗功率為511kW;單燒時(shí)，電機(jī)電流28A，風(fēng)機(jī)消耗功率為392kW，大量剩余空氣排空，浪費(fèi)嚴(yán)重。
工頻每小時(shí)消耗功率為：
P工=80%×511kW+20%×392kW=408.8 kW +78.4 kW =487.2kW。
改造后，兩座熱風(fēng)爐同時(shí)燒爐時(shí)與單座熱風(fēng)爐燒爐時(shí)，助燃風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄如表2所示。
變頻每小時(shí)消耗功率為：
P變=80%×358.9kW+20%×270.8kW=287.12+54.16=341.28kW。
每天運(yùn)行24h，全年運(yùn)行350d，每度電按0.5元計(jì)算，1#高爐助燃風(fēng)機(jī)全年節(jié)電費(fèi)用計(jì)算如下：
(487.2kW-341.28kW)×24h×350d×0.5元/kW·h=612864元。
2#高爐與1#高爐運(yùn)行工況基本相同，2#高爐助燃風(fēng)機(jī)節(jié)能效果與1#高爐助燃風(fēng)機(jī)節(jié)能效果相當(dāng)，這樣一年兩臺(tái)風(fēng)機(jī)共節(jié)約120余萬(wàn)元，節(jié)電效果還是非常明顯的。
8、結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)變頻器廠家的不斷努力，國(guó)內(nèi)變頻器產(chǎn)品以其性能良好，性?xún)r(jià)比高，良好的本地化服務(wù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，并且綜合效益顯著，能短期內(nèi)為用戶(hù)收回投資。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排工作力度空前加大，變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展前景十分廣闊，已迎來(lái)歷史黃金發(fā)展時(shí)期。
（轉(zhuǎn)載）
