鋼鐵企業風機節能技術改造項目實例分析

蔣 森

（唐山鋼鐵設計研究院有限公司，河北唐山063000）

某鋼鐵企業建有煉鐵550 m3高爐一座，高爐出鐵廠除塵風機為800 kW三相異步電機，為了相應國家節能減排號召，廠方決定對風機進行節能改造。

1 現場情況

除塵風機輸出功率不能隨生產負荷變化而變化，只有通過改變風門、檔板的開度來調整，這導致負載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節流損失中。雖然高爐出鐵廠除塵風機使用了液力耦合器調速，但由于液力耦合器運轉效率比較低，維護工作量大，軸封、軸承等部件經常需要更換，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）調速范圍有限為50%～95%，轉速不穩定；

（2）調速越低時，效率越低，低速時發熱厲害；

（3）調速精度低，線性度差，響應慢，不大適應自動控制要求；

（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，影響電網穩定；

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

2 系統解決方案說明

為了提高高爐出鐵廠的生產效率、降低能耗以及系統的綜合可靠性，擬采用全數字交流高壓變頻器實施控制。利用高壓變頻調速技術的改變設備的運行速度，以實現調節現場工況所需風壓、風量的大小，大大提高系統的自動化程度，既滿足生產要求，又達到了節約電能的目的。

一拖一系統成套設計方案，是變頻器配帶旁路的典型方案。原理是由3個高壓開關QS1、QS2和QS3和高壓開關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QF、電動機M為現場原有設備。

圖1 一拖一系統成套設計方案

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變頻功率單元串聯的方式，實現直接高壓輸出。變頻器具有對電網諧波污染極小、輸入功率因數高、輸出波形質量好、不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、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。

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

3 方案應用預期效果

3.1 節能分析

（1）現場工況及負載技術數據（見表1）。

（2）工頻狀態下的耗電量計算。

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 出鐵廠除塵風機運行參數表

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）變頻狀態下的年耗電量計算。對于風機負載（系統變頻改造前有液耦調速設備）計算如下：

因為不管是用液耦調速還是變頻調速，所需要的風機軸功率是相同的，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'為風機實際轉速；

n0為電機額定轉速。

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

根據加權時間得出設備在變頻調速下運行的平均功率如表5。

表5 在變頻調速下運行的平均功率表

（4）節能計算。

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

表6 除塵風機年節電數據表

（5）投資回收期。

3.2 應用高壓變頻調速系統產生的其他效果

（1）維護量減少。采用變頻調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速，使系統在接近額定狀態下工作。通常情況下，變頻調速系統的應用，主要是為了降低電機的轉速。由于啟動緩慢及轉速的降低，相應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，節約大量維護費用。

（2）工作強度降低。由于調速系統在運轉設備與備用設備之間實現計算機聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉變為監控，完全實現生產的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。

（3）減少了對電網的沖擊。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效延長了電機的使用壽命。

4 結束語

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

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