風機高效運行控制系統設計

盧軍民，董亞存，趙喜敬

(1.河北工程大學機電學院，河北邯鄲056038;2.邯鄲鋼鐵集團，河北邯鄲 056015)

風機是工業生產中的通用設備，在冶金、水泥、礦山等多種行業均有應用，其耗電量約占全國總發電量的1/3［1］。隨著能源形勢的日益嚴峻和環境污染的加劇，近年來國家要求各工礦企業節能減排，對現有設備積極地進行節能改造。由于風機應用范圍大、耗電量高，因此對風機進行節能技術改造，提高風機運行效率勢在必行。

以轉爐煉鋼用除塵風機為例，根據風機的實際應用情況以及現場生產工藝的具體要求，建立風機控制控制模型，設計了利用變頻器進行調速的風機高效運行控制系統。

1 風機高效運行控制模型

轉爐煉鋼的過程中伴有大量的煙塵產生，為了避免污染環境，通常采用大功率的除塵風機將含有煙塵的氣體由轉爐上方的煙道抽出，煙氣經過一、二次除塵系統凈化后，通過風機后的煙囪排放到大氣中。

轉爐煉鋼一個工藝周期的工藝流程為:(1)兌鐵水、加廢鋼，用時4 min，煙塵較少;(2)吹煉，用時14 min，煙塵最多;(3)拉碳，用時2 min，煙塵較多;(4)出鋼，用時3 min，煙塵較少;(5)濺渣補爐，用時3 min，煙塵較少;(6)倒渣，用時1 min，煙塵較少。一個冶煉周期中，吹煉過程產生的煙塵最多，該階段需要除塵風機高速運行;吹煉后期至拉碳階段，煙塵較多，該階段需要除塵風機中速運行;兌鐵水、加廢鋼、出鋼、濺渣補爐、倒渣階段，煙塵較少，該階段只需除塵風機低速運行 (一般為額定轉速的10%～15%)即可滿足轉爐煉鋼除塵的工藝要求。

風機中輸送的為氣體，轉速變化時風機的特性可以根據流體力學中的相似原理進行推導［2］。在網路阻力保持不變的情況下，假設風機原工況點對應的轉速為n1、風量為Q1、風壓為H1、功率為P1、效率為η1;工況調節后對應的轉速為n2、風量為Q2、風壓為H2、功率為P2、效率為η2。轉速調節前后工況參數之間的對應關系如下:

對風機工況進行變速調節時，變化前后工況點上的風量、風壓和功率之比分別與轉速的1、2、3次方成正比。當流量由Q減小到0.5Q時，轉速只需由n降低到0.5n即可，而功率則由P降低到0.125P，風機變速調節圖如圖1所示。在滿足雷諾準則的前提下轉速變化對相應工況點的效率基本不變。因此對風機進行變速調節，可減少功率輸出、提高風機的運行效率。

圖1 風機變速調節圖

2 風機調速方式的選擇

目前常用的調速方式有液力偶合器調速、繞線式異步電動機轉子串電阻調速、異步電動機變頻調速等。

液力偶合器安裝在電動機和風機之間，主要由泵輪、渦輪和勺管等零件構成［3］。裝在輸入軸上的泵輪與裝在輸出軸上的渦輪不直接接觸，它們之間有幾毫米的軸向間隙，因此液力偶合器是柔性傳動，可以隔離振動、防止過載。改變勺管的位置可以改變渦輪的轉速實現調速，調速范圍最大為4∶1。利用液力偶合器的充、放油可以實現空載啟動，減少電動機功率的富裕量。液力偶合器屬轉差損耗型調速，在調速的過程中，轉差功率以熱能的形式損耗在油中，這不僅消耗了能量，而且使油溫升高，為此要加裝冷卻器。液力偶合器傳動時有功率損失，運轉時還有液體的流動損失、軸承及密封處的機械摩擦損失、容積損失、勺管損失等，因此效率較低。但由于液力偶合器價格較低，過去多數的風機中選用這種調速方式。

繞線式異步電動機轉子串電阻調速是在繞線式異步電動機轉子中串入附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。此方法設備簡單、控制方便，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上，效率較低，屬有級調速。

異步電動機變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交－直－交變頻器［3］。變頻調速范圍寬，達到10∶1以上，甚至達到100∶1以上;調速精度達到0.1 Hz，穩定性高;調速效率高，無轉差損耗，其效率達0.95以上，并且不隨調速的范圍而變化;具有真正的軟啟動功能，它可以使起動電流值保持在額定電流以內，不會對電網造成沖擊，也不會對所傳動的風機設備帶來沖擊。變頻器一旦發生故障，可立即切出，并切換到工頻電源上，使風機能保持連續運行。變頻器的價格貴，設備占地面積較大，但可分散安裝在控制室或室外。

由于除塵風機耗電量大，為保證其高效運行需要、及時進行轉速調節;變頻調速效率高、響應速度快、穩定性好，雖然初期投資大，但節能效果好。綜合以上分析，為風機選用變頻調速方式。

3 風機控制系統硬件及軟件設計

風機控制系統主要由變頻調速系統和現場數據采集及狀態監測系統構成，其結構如圖2所示。

圖2 風機控制系統結構圖

變頻調速系統的核心部件為變頻器，此項目選用TMdrive-MV 2180/6kV完美無諧波變頻器。該變頻器達到IEEE-519要求標準，不需要更換原設電動機。輸出電流基本為正弦波，減少了電動機的高次諧波損失。不需設輸出變壓器，消除了由此造成的效率損失。采用二極管全波整流，顯著提高了功率因數，輸入功率因數達0.95以上。當功率單元出現故障時，主控系統對各種信號協調，在條件滿足后，用最短的時間將出現故障的功率單元進行旁路切除。主控系統通過改變算法，重新計算輸出波形，保持輸出電壓波形的完整。當引發功率單元出現旁通的故障消失后，功率單元將該信息通知主控系統，主控系統根據實際情況自動恢復該功率單元的正常工作。由于上述過程是自動完成的，所以大大降低了停機的概率。工變切換是指在變頻器發生故障后，自動切換到工頻運行，在變頻器具備運行條件后，自動從工頻切換為變頻的功能。主回路中采用了最新的高壓IGBT，在減少部件數量的同時，也大幅度提高了可靠性。該變頻器操作運行簡便、故障判斷容易、維修維護方便、通信功能完善。

現場數據采集及狀態監測系統硬件平臺采用PC-DAQ/PCI結構。PCI總線是應用最廣泛的計算機內部總線之一，將數據采集卡插入計算機的PCI插槽中即可。該系統相對于傳統儀器而言，成本更低、操縱更靈活、性能更強。

現場數據采集及狀態監測系統主要硬件的選擇如下:

采集卡選用NI公司的NI PCI-6259 M型采集卡(具有32通道，4路模擬輸出，48路數字I/O)。

煙塵傳感器選用HS-200，可用于各種顆粒污染物濃度實時連續測量，采用激光背散射原理，不受煙道的機械振動及煙氣溫度不均造成的折射率不均導致的光束擺動影響。靈敏度2 mg/m3，單端安裝，無需對中。采用標準 (0～20)/(4～20)mA工業標準電流輸出，連接方便。

振動傳感器選用RP6700DK，外部接線有防爆保護，4～20 mA電流輸出，安裝容易，每個風機軸承各兩個，呈90°夾角布置，報警速度8 mm/s，停車速度10 mm/s。

壓力傳感器選用PT124B-215本安防爆壓力變送器，抗干擾能力超強、量程覆蓋范圍寬，穩定性好、靈敏度高。輸出為4～20 mA電流。

溫度傳感器選用WR-202，該溫度傳感器熱響應時間快、抗熱性能強、耐高壓、抗震、安裝方式多樣化，具有防爆外殼。精度等級±(0.15+0.2%t);輸出可選擇4～20 mA(兩線制)或0～10 V(四線)。風機軸承工作溫度為25～65℃，報警溫度85℃。

轉速傳感器選用YD-60磁電轉速傳感器，體積小、結實可靠、壽命長、不需電源和潤滑油，為非接觸式測量方式。

風量傳感器選用KV621，其精度高、耐腐蝕、長期穩定性高。外殼采用耐高溫防腐材料，適于在惡劣環境下使用。重復性、高低風速跟隨等性能較好。

風機控制系統軟件部分的設計采用 LabVIEW語言進行編程。LabVIEW是一種圖形化編程語言，用戶可以在短時間內完成硬件連接、現場數據采集、顯示、存儲和分析等一整套測試系統的創建［4－5］。

該控制監測系統軟件具有風機數據采集、信號分析、顯示、報警和數據存儲與打印報表等功能，實現風機運行狀態的實時監測。主要監視界面如圖3所示。

圖3 風機狀態監控界面

4 結論

轉爐風機改為應用高壓變頻器調速控制之后，其響應速度快、速精度高、可靠性強、節能效果明顯。運行過程中的耗電量減少，經測算比之前的液力偶合器調速系統節電率高29%。改造后風機檢修周期由原來25 d延長至45 d，延長了風機的使用壽命，減少了設備的維護量，可降低維修費用。變頻調速控制系統滿足除塵的要求，改造后沒有發生溢煙情況，從未發生影響生產的事故。

轉爐變頻調速控制系統的應用表明通過生產過程中風機的變頻調速，既能保證轉爐的除塵要求，又能實現風機節能，保證了風機連續高效運行。同時風機監測系統的應用，可以為現場工作人員及時準確地提供風機的狀態信息，提高了風機運行的安全性和經濟性。

［1］曾永龍.冶金除塵風機狀態監測與故障診斷研究［D］.武漢:武漢科技大學，2008.

［2］張景松.流體機械［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2001:221－232.

［3］楊詩成.泵與風機［M］.北京:中國電力出版社，2007:150－167.

［4］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2007:1－3.

［5］羅義輝.基于LabVIEW振動控制分析虛擬儀器研究［D］.西安:陜西科技大學，2012:38－42.