發布日期：2022-04-18 點擊率：197
摘要：為了節能降耗，包鋼集團公司固陽礦山有限公司球團分公司球團除塵風機進行變頻改造，并對球團除塵風機變頻改造的運行數據進行分析計算，球團分公司風機設備采用變頻技術具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：高壓變頻器球團除塵風機調速節能
1前言
隨著環境保護要求的進一步提高，企業如何在保護環境的前提下，最大程度地節能降耗以降低成本提升競爭力成為一個課題。在冶金行業，除塵風機是能耗較大的設備，傳統的風機風量控制都是通過進風擋板調節風門大小來實現的。大部分的能量都被消耗在擋板上，而采用擋板控制，風機風量約為額定風量的一部分，風機遠離額定點運行，實際運行效率很低。而通過調節風機轉速來改變風量是風機節能的最佳方案，一直以來，人們都在積極地尋求更為科學的調速方案來調節風機，以達到節能降耗的目的。
2改造設備基本情況
包鋼集團公司固陽礦山有限公司球團除塵風機，選用一臺Y4-73NO29.5F離心風機，配用電機型號為：YKK710--8（10kV），功率：1250kW，n=745r/min，額定電流：88A。工作性質是連續運行，現采用進風擋板來進行風門的調節以控制風量，根據工況要求，擋板開度一般保持在65%左右，工況變化，風門開度對應調整。擋板調節浪費了很多電能，并對機械設備的性能有很大的損害，有進行改造的必要。
圖1所示為除塵風機性能曲線示意圖，該風機采用進口導葉調節風量，圖中0o為調節門全開位置，負值為調節門向關閉方向轉動的角度；圖中虛線為等效率線。離心式風機的最高效率在進口調節門的最大開度處，等效率線和鍋爐阻力曲線接近垂直，效率沿阻力線迅速下降。
圖2列出了風機采用多種調節方法的功率消耗效果曲線，從中可以看出，風機在變工況運行中，調節深度愈大，節能效果愈顯著，電機耗用功率越接近理想曲線，就越節能。在這里只有變頻調速曲線最接近理想曲線，其運行能耗最低，節能效果最佳。另外，由于變頻調速方式在頻率范圍、動態響應、低頻轉速、轉差補償、功率因數、工作效率等方面的優勢也是傳統的交流調速方式所無法比擬的，因此風機采用變頻調速節能是現今調速方式的最佳選擇。
3風機變頻調速節能原理
變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60f(1-s)/p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；變頻器通過改變電動機工作電源頻率f達到改變電機轉速的目的。
異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
根據流體力學相似定律：Q1/Q2＝n1/n2輸出風量Q與轉速n成正比；
H1/H2＝(n1/n2)2輸出壓力H與轉速n2正比；
P1/P2＝(n1/n2)3輸出軸功率P與轉速n3正比。
當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在擋板上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨風量的減小大幅度下降。可見，通過變頻對風機進行控制，不但節能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
高壓交流變頻調速技術是上世紀九十年代迅速發展起來的交流電動機的調速技術，其技術和性能勝過其它任何一種調速方式。變頻調速以其顯著的節能效益、高精確的調速精度、寬范圍的調速、完善的電力電子保護功能，以及易于實現的自動通信功能，得到了廣大用戶的認可和市場的認可，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的便利和快捷的服務，使之成為企業采用電機節能方式的首選方案。
隨著國產高壓大功率變頻調速技術的日益成熟，使得這一技術廣泛應用于各個行業，考慮目前國內的此類產品技術也比較成熟，關鍵元器件也是選用國外知名產品，且在價格、售后服務與技術支持等方面更具有優越性，經過多方調研、比較，包鋼集團固陽礦山有限公司領導最終選擇了新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP38-1250F型（1250kW/10kV）高壓變頻器對燒結除塵風機進行改造。
4球團除塵風機變頻改造控制方案
球團除塵風機目前的控制方式主要根據除塵風量的需求，通過高壓變頻器實時調整風機電機頻率來實現調節風機風量。采用變頻器后保持進擋板全開，根據生產需要人工操作調節風機轉速。系統可隨時隨意改變送風量以適應變化，保持風機的高效運行。
通過目前已有的DCS系統調節變頻器頻率來調節除塵風機風量。利用DCS對變頻器進行啟動、停機、調速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態，實時監控系統運行。操作方面，有遠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的安全性能。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(如RS485)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。利用高壓變頻器根據實際需要對除塵風機進行變負荷運行，既保證和改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。
此外，為了保證系統的可靠性，除塵風機現有的控制設備和運行方式仍將保留，控制回路上設計工頻/變頻運行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實現除塵風機在工頻或變頻運行。
5風光JD-BP38系列高壓變頻器技術特點
風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。風光高壓變頻器被評為中國名牌產品。具體來說，風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：
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
(2)矢量控制技術，通過測量和控制交流電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對交流電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制交流電動機轉矩的目的。啟動轉矩大，轉矩動態響應快，調速精度高，帶負載能力強。
(3)快速飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。在變頻器受到負載沖擊保護后可對其自動復位，然后再自動啟動，即可避免重要場合（如水泥廠高溫風機）變頻保護停機造成的損失。快速飛車啟動技術可實現變頻器在0.1s之內從保護狀態復位重新帶載運行。
(4)工頻/變頻無擾切換技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
(5)電網瞬時掉電重啟技術，電網瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間。
(6)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統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，而線電壓自動均衡技術通過調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。
(7)振蕩抑制技術，電機輕載或者空載的時候會出現局部不穩定現象，這時電流幅值波動很大，電流的振蕩有可能會導致系統因為過流或過壓而觸發保護。新風光公司采用優越的電流算法，有效地抑制電流的振蕩，保證系統穩定可靠的工作。
(8)多機主從控制技術，變頻器具備主從控制功能，多臺變頻器之間可通過數據總線組成主從控制網絡。將其中的一臺設為主機，其他設為從機，主機實時采集各從機的狀態信息，同時發送給各從機頻率、轉矩指令，實現各臺變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術適用于皮帶機、摩擦式提升機等需要功率平衡控制的場合。
(9)輸出電壓自動穩壓技術，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據母線電壓調整輸出電壓，從而實現自動穩壓功能。避免電網波動對輸出電壓的影響。
(10)故障單元熱復位技術，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機。
（11）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
（12）具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。
（13）限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數。
（14）多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協議頻率設定可以現場給定、通訊給定等支持頻率預設、加減速功能。
6除塵風機變頻改造主回路
為了最大限度地提高設備的利用率，使變頻發生故障時也能保證風機的正常運行，從而保證生產。保留原有工頻液阻啟動系統，保留電機綜合保護裝置（工頻時投入）。采用一拖一手動工/變頻切換方案。在變頻器發生故障時，能手動切換到原來的工頻液阻啟動方式，保證除塵風機繼續運行。系統手動旁路柜一次回路如圖3所示。
旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，利用液阻柜啟動電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻器輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。為了實現變頻器故障的保護，變頻器對用戶開關DL進行連鎖，一旦變頻器故障，變頻器聯跳DL。工頻旁路時，變頻器應允許DL合閘，撤消對DL的跳閘信號，使電機能正常通過DL合閘工頻啟動。
選擇變頻系統時，不投入液阻柜；只有選擇工頻狀態時液阻柜啟動才有效。
7變頻改造效果
包鋼集團公司固陽礦山有限公司球團除塵風機正常生產時處于長期運行狀態，風機入口擋板開度為65%左右，測量風機實際風量3478000m3/h，輸入電流65A左右，功率因數0.78，每小時消耗功率為878.1kW；變頻改造后，運行頻率為40.0Hz時可滿足相同工況除塵要求，輸入電流28.2A，功率因數0.96，每小時消耗功率為469.1kW。除塵風機高壓變頻器現場運行照片如圖4所示。
圖4除塵風機高壓變頻器現場運行照片
球團分公司為了考察變頻改造的節電效果，將其改造前后的對比數據如表1所示。
表1 除塵風機改造前后的對比數據 | |||||
| 風門開度 （%） | 運行頻率 （Hz） | 運行電流 （A） | 功率因數 | 消耗功率 （kW） |
改造前 | 50 | 50 | 65 | 0.78 | 878.1 |
改造后 | 100 | 40.0 | 28.2 | 0.96 | 469.1 |
由表1看出，電機運行電流大大降低，功率因數顯著提高，改造效果是明顯的。球團除塵風機每天24h運行，一年運行330天，變頻改造后，一年節省電量計算如下：
（878.1kW-469.1kW）×24h×330d=323.928萬kW?h
按0.5元/kW?h計算，每年節省電費為：
323.928萬kW?h×0.5元/kW?h=161.964萬元。
8結束語
包鋼集團公司固陽礦山有限公司球團分公司除塵風機變頻改造后，不僅減少風機啟動時對電網的沖擊，降低風機工作的機械強度和磨損，延長風機的使用壽命，設備運行噪聲大大降低，而且節能效果顯著。隨著國家“十三五”對節能減排工作重視程度越來越高，市場競爭的加劇，高壓變頻調速應用會越來越普及。
參考文獻
[1]新風光電子使用手冊[Z]新風光電子科技股份有限公司
作者簡介
馬健凱，男，大學學歷，供電工程師，副部長，供職于包鋼集團谷陽礦山有限公司機動部。
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