變頻器在傾動爐引風機的節能應用

屈 勇

（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

傾動爐車間的引風機根據工藝的工況要求，需要對風量在不同冶煉工藝時段進行調節。原有傾動爐爐內壓控制系統是采用主風機全速運行，通過閥門調節開度來控制爐內壓，開度最大不超過40%，存在嚴重的大馬拉小車現象，功效不到10%，同時通過閥門調節，很難滿足工藝對風量的需求［1］。據統計，我國風機的用電量占全國用電量的 10.4%，節能方式有換電機或采取方法提高電機節電率［2］。通過變頻綜合改造后，節能率可達到40%以上，同時通過改造后，可以方便地根據工藝要求，自動調節風量來自動控制爐內壓，改善爐況，保護爐窯設備，提高爐窯設備運行效率。本次改造帶來經濟效益每年50萬元左右。

（1）傾動爐引風機在額定工況下，風量為140490m3/h，而引風系統需要的最大排氣量不超過60000m3/h，存在嚴重的大馬拉小車現象，工效不到10%。

（2）從工藝的工況要求可以看出，需要在不同的工藝階段調節風量，要通過閥門控制對爐內壓實現精準控制較困難。

（3）關小閥門的開度，勢必引起負壓增大，造成用于布袋除塵的反吹風失效，使得煙塵堵塞布袋，致使布袋溫度過高，燒毀布袋。

（4）煙塵堵塞布袋，會造成排氣不暢，致使鍋爐內煙氣溫度過高，損壞鍋爐耐火構層。

（5）由于不能有效控制風量，不能保證高溫煙氣在鍋爐內進行有效的熱交換，造成熱能損耗。

（6）在還原過程中，需燃燒LNG，由于不能有效控制風量，造成能量損耗和爐窯耐火材料損壞。

通過變頻改造后上述問題均可得到改善。

2 工藝流程

傾動爐冶煉過程中產生高溫煙氣先通過沉渣室，沉降大顆粒冶煉雜質，之后通過鍋爐進行熱交換，沉降部分細顆粒煙塵，高溫煙氣再通過空氣冷卻器對高溫煙氣進行冷卻，進入布袋收塵器進行收塵，通過調節閥調節風量，最后將滿足環保要求的煙氣通過引風機煙囪排空。

工藝流程圖如圖1。

圖1 工藝流程圖

3 主要工程內容

本改造是為了滿足生產工藝需求，對引風機進行變頻改造。利用DCS自控系統自動檢測鍋爐的壓力、流量、溫度，并根據工藝要求，自動控制變頻器頻率，通過電機調速達到控制風量的目的，使鍋爐熱交換處以最佳工作狀態，改變原先靠閥門控制風量的工作方式。改造后不僅節省大量的電能，而且能非常有效地控制風量，提高鍋爐工作效率，延長設備的使用壽命，降低維修成本。

主要工程內容：更換工頻電機為變頻電機、增加控制變頻器、同時增加備用工頻旁路柜、增加變頻現場控制柜。采用高性能的施耐德6kVATV1200變頻器。

QF為上級高壓真空斷路器，QF41、QF42為隔離開關柜刀閘隔離開關，QF43為旁路柜高壓真空斷路器。該系統有2種運行模式：模式1，當變頻器可以正常運行時，風機變頻運行QF41、QF42合閘，QF43分閘。此時風機變頻運行。模式2，當變頻器故障時，風機此時工頻啟動工頻運行，QF41、QF42分閘，QF43合閘。

且QF41、QF42同QF43不能同時合閘［3］。該系統充分考慮到系統的穩定性、安全性。主回路系統圖見圖2。

圖2 引風機系統旁路柜示意圖

取消引風機入口調節閥，使引風機入口調節閥處于全開狀態，DCS根據爐子的不同周期所需的不同爐膛負壓以及現場爐膛負壓的檢測值，通過PID計算向變頻器發出4～20mA信號對風機轉速自動調速，從而實現對爐膛負壓的自動跟蹤控制，最大限度地滿足生產工藝的要求，同時節約電能，極大地提高經濟效益，增加設備的自動化水平［4］。控制方式采用現場控制和DCS控制兩種。現場控制柜屏上按鈕操作起/停運行及調速；自動控制調速信號來自上一級DCS控制系統，DCS根據傾動爐爐內壓自動跟蹤調節工藝需要設定負壓值，然后自動計算出變頻器的頻率，從而實現變頻器的頻率對爐膛負壓的實時跟蹤。見圖3。

圖3 風機頻率自動調節圖

4 引風機節電效果分析計算以及實施效果

4.1 工頻情況的功率計算

Pd：電動機功率；

U：電動機輸入電壓；

I：電動機輸入電流；

cosφ：功率因數。

根 據 公 式（1）：Pd = 1.732×6×25×0.806=217.2kW，即采用風門控制時的實際功率為217.2kW。

4.2 變頻情況下的功率計算及節電率分析

風機設備屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比［5］。因此可以有較大的節電率。

在用風門控制時實際功率百分比為217.2/355=0.61，查《2010版鋼鐵企業電力設計手冊》表6-12《各種控制方式下根基功率消耗相對值》得：采用變頻調速后的功率百分比為23%。

根據上述公式可得網側電機功率：

Pd =355×0.23=81.65kW，

增加變頻裝置后，網側功耗Pb=Pd/η；

變頻裝置的效率η=96%。則Pb=85.05kW。

5 實際效果

2015年傾動爐車間1-10月用電量統計見表1，2016年傾動爐車間1-10月用電量統計見表2。數據來源于統計報表。

2016年月均用電量比2015年減少10萬kW·h，年節省用電量約100多萬元/kW·h，節能效果明顯。

表1 車間2015年用電量統計kW·h

表2 車間2016年用電量統計kW·h

6 結論

采用變頻器控制將有以下諸多優點：

（1）采用變頻器控制電機的轉速，取消調節閥門調節，運行平穩，設備的故障率低，節電效果顯著；

（2）采用變頻器控制電機，實現了電機的軟啟動，避免大的啟動電流對電機對電機絕緣的破壞，延長了設備的使用壽 命，避免了對電網的沖擊［6］；

（3）電機將在低于額定轉速的狀態下運行，減少了噪聲對環境的影響；

（4）具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護功能［7］；

（5）變頻器故障時可以工變頻切換，保證生產的連續性。

實踐證明，變頻改造具有顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且還大大減少了設備維護、維修費用，另外當采用變頻調速時，由于變頻裝置內的直流電抗器能很好的改善功率因數，也可以為電網節約容量。直接和間接經濟效益十分明顯。