國產高壓變頻器在冶金企業風機系統中的應用

王秀閣，張增軍，段棟斌

（山東石橫特鋼有限公司，山東 泰安 271612）

山東石橫特鋼有限公司1080m3高爐風機系統電機功率為2 200kW，為引風機，風量調節為入口擋板調節方式；機組運行中，引風機的入口擋板開度最大不到75%。這樣的調節方法節流損失大，浪費電能。同時，電機啟動時的沖擊電流對電機造成損害。為此采用變頻調節方式對風機系統進行改造。

一、風機高壓變頻調速系統構成

1.高壓變頻調速系統的構成

HARSVERT-A10/220（適配2 200kW/10kV電機） 高壓變頻器(2 200kW)1臺、系統旁路開關柜1臺，采用“一拖一”變頻控制方式。HARSVERT-A06/220變頻器參數見表1。

表1

2.風機調速系統特點

風機調速是由操作人員通過PLC系統的監控畫面，參照溫度、負壓等參數，通過PLC的PID調節，自動調節電機的轉速，達到調節用量的目的。監控系統主要由工控機和PLC控制系統組成（圖1)。工控機作為監控中心，將變頻器所有的運行數據和參數利用TCP/IP通信，在人機界面上進行實時顯示；工控機也可下達指令來控制變頻器的啟動、停止、頻率給定等。

在此基礎上，經過一段時間的積累，可將不同負荷和溫度下的給定值繪制成曲線，定出安全的上下限，制成風機調速專用算法，將采集的負荷、溫度參數及負壓的變化值送到PLC系統中進行控制運算，將計算結果形成4～20mA的速度給定指令信號，反饋給變頻器，通過比較轉速輸出量與PLC速度給定之間的大小，自動調節電機的轉速，實現風機的轉速自動控制，如圖2所示。

二、風機系統變頻調速節能分析

1.風機變頻調速的節能原理

采用變頻調速，按電機需要升降轉速，改變風機性能曲線，使風機參數滿足工藝要求，根據風機相似定律，變速前后風量、風壓、功率與轉速之間的關系工作特性如圖3所示。

在第一種負載工況下，負載工作在A點，流量為Q1，壓力為H1。若負載仍然按n1速度定速運行，用擋板將流量調節為Q2時，壓力將上升到H3，負載工作點移到B點。由于擋板的截流作用，管網阻力曲線由③變為④。在A、B兩點，負載功率分別為PA=H1×Q1，PB=H3×Q2，實際減小的功率有限。

若不采用擋板調節，管網阻力特性保持曲線③不變，改用調節負載速度來減小流量，負載按速度n2運行，工作特性為曲線②，負載工作在C點，流量仍然為Q2，但壓力為H2。相比B、C兩點，負載減少的軸功率為：ΔP=PB-PC=（H3-H2)×Q2，在風道阻力特性不變的情況下，離心式風機的風量Q、壓力H、軸功率P和轉速n之間滿足如下關系(相似定理)：Q∝n，h∝n2，P∝n3。所以有即通過調速方式改變風量，風量下降一半時，在不考慮效率的情況下，風機軸功率將下降87.5%。當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為接近1，工作電流比額定電流值低，因變頻裝置內濾波電容產生改善功率因數，為電網節約20%容量。變頻調速在風機應用中節能效果顯著。

2.高壓變頻調速節能分析計算

(1)現場工況技術數據

現場工況技術數據見表2。

表2

根據計算公式(1)、(2），可得出工頻情況下負載的耗電量為1 690.57萬kW·h，設備工頻運行功率為2 113kW，設備工頻的年耗電費為1 014.34萬元。

(3)變頻狀態下的年耗電量計算

對于風機類負載，變頻狀態下的計算如下。

式中：P′——風機軸功率；

Q——風機出口流量；

H——風機出、入口壓力差；

λ——管網特性系數。

代入風機的額定值，得出其管網特性系數λ。

將風機在不同負載下的λ、壓力、流量值分別代入上式，求得P′軸功率。

電動機效率ηd與電動機負荷率β之間的關系如圖4所示。

圖4 電動機效率與負荷率關系

變頻器效率ηb與系統負荷率β之間的關系如圖5所示。

綜合考慮到電動機效率ηd和變頻器實際效率ηb，查圖得出電動機效率ηd=0.88；變頻器效率ηb=0.95。

式中：P′——風機軸功率。

式中：T——年運行時間；

δ——單負荷運行時間百分比。

根據計算公式(3)、(4)、(5)，可得出變頻情況下負載的耗電量為設備變頻后運行功率1 795kW，年耗電量1 436.16kW·h，年耗電費861.69萬元。

(4)節能計算

變頻改造后，可計算出各負載上變頻后與工頻相比每年的節電量為254.413 5萬kW·h，年節電費152.6萬元，節電率15.0%，經濟效益非常可觀。

三、結語

采用高壓變頻器對高能耗用電設備如風機、泵類等的技術改造，不僅能降低成本，還能使設備乃至機組的安全可靠性提高，減少機組故障帶來的經濟損失。