KKK風機變頻改造的應用與實踐

胡慶保

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

硫酸車間SO2風機是制酸工序的關鍵設備，現制酸四系列SO2風機(額定功率2050kW)于2011年投入使用，設備在使用中主要存在以下情況：

（1）電機采用直接啟動對系統的沖擊。該風機采用直接啟動方式，啟動時對電機及電機相連的機械部分軸與齒輪都會產生劇烈振動，使得電機系統機械磨損加劇，從而導致系統各機械部件及電機使用壽命的降低，而直接啟動時的大電流也會使電機系統產生較高溫度，進一步加劇系統各機械零部件的磨損，在2013年就因風機軸承箱溫度過高而開蓋檢修。

（2）能耗。由于工藝對風量的要求變動較大，而只能通過調節前導葉來控制風量，造成了一直處在工頻運行的電機浪費了大量電能。

2 二氧化硫風機系統運行現狀

2.1 工頻運行狀態

通過現場調查，二氧化硫風機在運行時入口導葉只開了一部分，由于采用導葉調節，大部分能量都被導葉消耗，其開度越小消耗的能量就越多。在一般情況下采用導葉調節的風機其實際消耗功率與風量大致成正比，與導葉的開度也大致成正比［1］。

歸納其具有以下特點：

（1） 風機運行時的風量只是額定風量的一部分，風機遠離額定點運行，其實際運行效率很低。

（2）由于導葉的存在，導葉前后存在壓差，消耗了部分能量。

（3）因實際所需風量低于額定風量，風機在配備電動機的時候，電動機的功率有。

導葉調節方式雖然簡單易行，并已成為習慣，但它是以增加管網消耗、耗費大量能源為代價的。當采用變頻調節時，其效率最高，因為風量隨轉速的一次方下降，而其軸功率隨轉速的三次方下降，目前最優方案就是采用交流變頻調速控制技術［2］。

2.2 風機運行數據

表1 四系列KKK風機運轉數據

3 改造方案

3.1 風機變頻調速的改造方案

（1）電氣改造內容：①由于系統對連續運行安全性能要求較高，為了便于日常維護及故障應急處理，故采用中壓變頻器外加工頻旁路的方案。②利用原電機啟動斷路器柜作為整個系統的總電源柜，整個系統的綜保裝置利用原電源柜的綜保裝置。③增加中壓變頻器及變頻器進、出線斷路器柜，柜內不設綜保裝置。開關柜與變頻器一起安裝于風機房內，并為其搭建一間變頻器配電室。運行時房間封閉，內置空調，采用內循環散熱。

（2）DCS 改造內容：DCS具有對新增的開關柜與變頻器的監示與控制功能，并增加通訊與輸入輸出模塊。

3.2 節能原理分析

采用變頻調速方法節能的原理是基于風量、壓力、轉速、轉矩之間的關系：

式中:Q——風量與轉速的1次方成正比；

H——壓力與轉速的2次方成正比；

P——軸功率與轉速的3次方成正比 (粗略計算P=HQ/102) ；

T——轉矩；

n——轉速。

圖1 風機工作特性圖

風機的工作介質是氣體， 工藝上的應用通常是調節風量， 風機全速運行， 正常工作點為A， 風門關小， 風阻特性曲線由曲線2移至曲線4， 工作點移至B點， 風壓為H2， 消耗功率與面積OQ2BH2成正比。調節轉速， 風門全開， 轉速減少后， 風壓特性由曲線 1 移至曲線 3， 工作點移至 C 點 ， 風壓為 H3， 消耗功率與面積OQ2CH3成正比。對比以上兩者可知，節約功率與面積H3CBH2成正比。可見，節能效果相當可觀［3］。

4 變頻器的改造設計

4.1 系統主回路

如圖2。原系統采用的直接啟動及運行方式將被變頻器啟動及運行方式所取代，考慮到系統對連續運行安全性能要求較高，為了便于日常維護及故障應急處理，采用了中壓變頻器外加工頻旁路的方案。

圖2 變頻改造主回路

4.2 電氣改動

（1）利用原電機啟動斷路器柜作為旁路斷路器柜，旁路柜的主回路接線和綜保設定保持不變，啟停控制部分需做少量修改。

（2）增加變頻器輸入斷路器柜，安裝于現場。

（3）增加變頻器出線斷路器柜，安裝于現場，可于變頻器安裝在一起。柜內不需要綜保裝置。

（4）增加中壓變頻器，采用AB品牌的PF7000系列變頻器。

4.3 高壓變頻器主要特點

單元串聯多電平直接高壓變頻器主要有以下特點：

（1）一體化設計，安裝調試簡單；

（2）無須更改原有電機，可實現工頻切換；

（3）不需另加升壓變壓器、輸人濾波器、輸出濾波器，電抗器、功率因數補償裝置和緩沖電路等附加電路;

（4）諧波污染極小，對周圍設備無電磁干擾;（5）功率因數高、效率高;

（6）各類保護完善，操作簡單，運行穩定可靠［4］。

4.4 變頻改造后可能會遇到的改造問題

采用變頻模式與原方式最大的不同就是風機和電機速度可變，因為原設計有些設備對運行轉速有一定要求，變頻改造后有可能會出現問題，需要同時進行整改：

（1） 風機的潤滑油系統：

風機潤滑系統主油泵連接于風機主軸，風機慢速工作時，會造成主油泵供油不足。此時輔助油泵將不在僅用于風機啟停時，也將用于風機低速運行狀態。而判斷的條件應該是潤滑油壓。目前系統標配一臺輔助油泵，為確保設備安全順行，需要增加一臺備用泵。

（2）電機的散熱及潤滑:

電機的風扇安裝于電機主軸，電機低速運行時可能造成風扇風量不足，因此電機散熱問題取決于電機工作的速度區間。在不對電機內部散熱進行修改的前提下，可以先調節前導葉，使電機工作在相對的高速的區間，以滿足散熱要求。如果散熱仍無法滿足，可以考慮對電機作散熱的物理改造。電機潤滑為自供給系統，也依賴于電機的高速運行狀態，為了滿足低速運行要求，可以將風機輔助潤滑系統同時接入電機潤滑系統。

新增加的變頻器控制部分將接入到DCS，由DCS系統控制。DCS 系統程序將會增加更多功能，既要兼容旁路運行導葉調節模式，也需要實現速度調節為主，導葉調節為輔的工作模式。

（3）風機轉速的下降可能會導致進出口管道壓力及氣流的變化，這也是可能需要前導葉配合的原因，具體操作模式的制定，還需要工藝系統的工程師進行分析和處理［5］。

5 DCS信號調試

5.1 風機原有信號

風機原設計為直接啟動，直接由配電室QF0合閘來啟動風機，風機與DCS之間的聯絡信號如下：

（1） 緊急停車信號：安裝在中控室，由硬線連接緊急停車按鈕和QF0，按下緊急停車按鈕后直接將QF0分閘。

（2）DCS連鎖信號，由硬線連接DCS和QF0，當發生工藝連鎖或風機溫度、振動、油壓連鎖，立即由DCS發信號將QF0分閘。

（3）風機運行信號，由硬線連接QF0和DCS，將QF0的合閘信號直接傳給DCS，使用常開觸點。用于判斷風機是否運行，參與全廠連鎖。

5.2 風機變頻改造后信號

除原邏輯、信號保留外，另外新增了以下聯絡信號:

（1）新增DCS連鎖信號至變頻器，由硬線連接DCS和變頻器當發生工藝連鎖或風機溫度、振動、油壓連鎖，立即由DCS發信號停止變頻器。

（2）變頻器故障、運行信號，由硬線連接變頻器和DCS，信號反應在DCS畫面中，僅用于顯示，未參與程序。

（3）變頻器緊急停車按鈕，安裝在中控室，由硬線連接緊急停車按鈕和變頻器，按下緊急停車按鈕后直接將變頻器停止。

6 節能分析

風機經過2016年年修中的優化后，實現了完全的變頻調速，即入口導葉開至100%，通過調節電機轉速的方式來調節風量。具體節能情況如下：

6.1 未安裝變頻器運行

由表2可以看出，在沒有安裝變頻器的情況下，2015年3月23日至2015年12月31日，共283天，共耗電950萬kW·h。

平均每天耗電量為：

平均每月耗電量為：

表2 2015年風機運行消耗電能

6.2 變頻運行后

由表3可以看出，在變頻運行模式下，2016年12月1日至2017年1月5日共計35天，共耗電98.96萬kW·h。

平均每天耗電量為：

平均每月耗電量為：

根據計算，目前該風機每天可節電3.3569-2.8275=0.5294萬kW·h，每年（360天）可節電0.5294*360=190.584萬kW·h。

表3 2016年調頻風機運行消耗電能

7 結束語

變頻器調速不僅具有良好的可靠性、較寬的調速范圍且調速曲線平滑能滿足工藝要求，較小的啟動電流亦可以減少對電網的沖擊。變頻系統各種保護功能可靠，從而消除了因電機過載或單相運行而燒毀電機的現象，確保了安全運行。改造后，精簡了控制程序，使操作更加方便，提高了生產效率，從而達到了節能降耗的目的。其綜合效益是特別明顯的。