大型變頻風機傳動系統旁路改造的實踐與分析

李昕洋

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063000）

0 引言

鋼鐵行業中，大型變頻風機是工藝生產、環保除塵等環節主要的動力設備。從整體運行來看，風機、電機本身的穩定性較高，傳動系統特別是對于長期服役的高壓變頻器而言，由于多數采用八到十級的設計思路，其功率模塊的總數普遍較多，導致故障率隨著使用年限的增加而顯著升高。由于傳動系統整體費用較高，往往不考慮設計備用旁路，這就在穩定生產秩序、保持環保排放穩定達標等方面帶來隱患。

1 變頻傳動系統運行分析

隨著鋼鐵行業不斷淘汰落后產能搬遷升級，其生產規模和工藝設備逐步向大型化發展。從整體考慮，設備大型化相比于過去多臺套中小型設備運行而言，提高系統的負載能力，有效降低投資成本和運行成本，但對設備的穩定性卻提出更高的要求。過去多臺套設備同步運行時，能夠在滿足工藝要求的前提下，實現單系統檢修或交替運行，但大型設備因單體投資較高，顯然不具備設置冗余系統的可行性。

按照連續生產或環保除塵等工藝要求，傳動設備必須具備長期服役、穩定運行的能力，因此高壓變頻器功率模塊的故障率直接影響系統的穩定性。雖然國內多數品牌的高壓變頻器設計單元旁路功能，即在運行過程中允許部分單元退出運行，但是旁路的成功率也隨著變頻器服役年限的增加而降低。因此，需要設備管理人員，根據電機的功率、上級進線開關的整定值、投入產出比等綜合因素考慮對長期服役的傳動系統進行旁路改造，使變頻風機具備應急啟動的功能。

2 變頻系統旁路改造實例分析

針對變頻旁路改造有很多應用的實例，從性價比、穩定性等角度來看，各種方案都有自己的優勢，以630 kW 工藝風機為例，分析改造過程中硬件和軟件的實施方案。

2.1 原系統運行存在的問題

某鋼廠球團脫硫區域冷卻風機是脫硫系統主要的工藝風機，對解析塔內活性焦降溫起著至關重要的作用。該電機為高壓變頻電機，功率為630 kW，驅動方式為高壓變頻器驅動。當風機出現故障不能及時恢復時，會對整個工藝流程造成嚴重的影響，使脫硫效率下降。時間稍長就會導致煙氣排放超標，影響環保數據，按照環保部門要求，此時球團生產必須立即減產，甚至停機。

風機投入運行之初，整體運行的穩定性較高，但受工藝影響，整體環境存在腐蝕性，運行兩年后高壓變頻器功率模塊的故障率顯著增高。考慮到工藝和環保的要求，該風機需要具備連續運行或故障時短時間內恢復運行的能力。從傳動系統設計來看，該高壓變頻器雖然具備手動直啟的功能，但存在設計缺陷。

如圖1 所示，該高壓變頻系統平時采用變頻運行，當變頻系統出現故障無法及時恢復時，可以切換至旁路（3KM）。此時需要高壓運行人員手動合高壓開關柜，通過直啟方式啟動電機實現工頻運行，以保證冷卻循環系統恢復運行。

圖1 高壓系統圖

但經過設備人員確認，該方法雖然能夠啟動風機，但實際存在較大風險。該電機在工頻啟動和運行過程中，電機無法實現遠程啟停功能，且無法投入電機振動、軸溫、定子溫度等連鎖條件。即當系統需要停機或檢測到故障狀態時，無法實現遠程自動停機。

2.2 硬件改動

首先實現遠程監控的功能，需要實現所有狀態的采集。高壓柜二次回路如圖2 所示，原變頻系統的運行返回取自變頻器，旁路運行時該點位已經無法表示電機的實際狀態。因此需要把變頻高壓開關柜運行返回采集至PLC中。其次，由于旁路啟動和變頻啟動對應的主程序不同，需要通過采集轉換開關的狀態，實現對啟動程序和啟動控制畫面的切換。此外，啟停機方面也需要改動。變頻狀態時，高壓柜處于合閘狀態，PLC 發送啟停機命令給變頻器，而旁路運行時需要PLC 直接給高壓開關柜發送合閘和分閘命令。

圖2 高壓柜二次回路

2.3 程序改動

程序上，需要對兩種啟動方式分別編程，并通過轉換開關的位置來切換程序的激活狀態。新增程序段如圖3 所示，無論是何種啟動方式，電機軸振故障、軸溫故障、定子溫度故障、油壓故障等條件均可觸發遠程跳閘，從而實現保護功能，使該系統進一步得到完善。并對上位畫面進行重新設計，增加變頻、工頻啟動切換功能，以及實現狀態參數的監控功能。

圖3 新增程序段

2.4 操作方法的標準化

高壓人員根據新的啟機模式，重新制定操作方法。在連續生產過程中，當變頻系統出現重故障時：①高壓人員將高壓柜轉換開關選擇就地，確認圖1 中1KM、2KM 接觸器已分開；②高壓變頻器面板上按旁路手動合閘按鈕，并將高壓柜斷路器搖至工作位；③高壓柜選擇開關選擇遠方。生產崗位通過畫面選擇工頻控制，此時變頻控制功能隱藏，點擊啟動后，即可直啟運行。

2.5 實施效益

改造前，旁路啟動功能并不完善，各狀態無保護功能，運行風險極高，可操作性極低；改造后，系統各項保護功能齊全，可長時間穩定運行。

當冷卻風機高壓變頻系統功率模塊發生故障時，更換功率模塊至少需要1 h，現在可在10 min 內實現旁路運行，極大的縮短故障停機時間，并可長期穩定運行。待檢修處理變頻系統，為變頻故障處理創造較大的自由空間。并且該改造可以進行內部推廣，進一步降低同類設備的隱患風險。以每次停機節約50 min 計算，故障時可造成球團減產416.7 噸，損失約25 萬元。

3 優化方案分析

考慮10 kV 高壓電機的直啟電流約為額定電流的6～8 倍，因此風機變頻旁路的改造方案主要從電機功率、進線開關整定值、工藝管道承受能力等角度考慮。對于2000 kW 以下的風機，在進線開關整定值滿足條件的前提下，一般采用直啟的方式作為備用啟動條件。直啟后，通過控制風門開度或葉片角度，調節進風量，達到工藝或環保的要求。對于2000 kW 以上的電機，由于啟動電流較大，一般通過增加高壓軟啟動器的方式實現旁路的軟啟動功能。由于同等容量的軟啟動器的采購成本約為變頻器的1/3 左右，因此該方案具備較好的經濟性。

無論采用何種方案，均需要將高壓變頻與直啟或高壓軟起的一次回路進行隔離，避免反向送電。軟件方面，需要采集兩套系統主回路開關、接觸器等器件的狀態，通過綜合判斷保證系統切換時安全可靠；需要對控制方式重新進行設計，保證兩套系統具備獨立的啟動、停止和連鎖功能。

其他情況，若工藝段的變頻風機有較多的臺套，可以從設計之初考慮將容量相近電機的變頻器設計為具有互拖功能的冗余系統。特別是大型的工藝風機，由于功率較高，無法實現直啟，且該容量的高壓軟啟動器價格也普遍較高，因此考慮設計電纜轉接柜、同期柜實現互拖功能是十分經濟的手段。這樣既能保證異常狀態下的應急啟動，又能有效降低成本。

4 結束語

大型變頻風機傳動系統的旁路改造是提高設備穩定性的重要手段。當前，環保排放持續穩定與生產經營同等重要，旁路系統改造使得在傳動設備故障時能夠利用極短時間恢復設備運行，對于企業的生產經營意義重大。