森蘭變頻器在鋼鐵企業焦化廠風機變頻改造上的應用

希望森蘭科技公司

1 概述

煉焦過程是煉焦煤在炭化室經過干燥脫水、軟化熔融、半焦化和半焦收縮成焦等階段。在200℃以前，煤表面的水分、吸附在煤中的二氧化碳、甲烷等析出。隨著進入軟化熔融階段，在此階段中，煤大分子側鏈斷裂和分解，產生熱解產物，在半焦形成和開始縮聚之前，熱解產生的蒸汽和煤氣，主要含有甲烷、一氧化碳、化合水及焦油蒸汽等。溫度繼續升高，析出的氣體中氫和苯蒸汽的含量增加。在半焦至焦碳階段中，隨著焦質致密、縮聚，氫大量的產生。在炭化室煉焦的特定條件下，上述初次分解的產物，通過赤熱的半焦及焦碳層到達爐墻邊，然后沿著高溫的爐墻與焦碳之間的空隙到達爐頂空間。

炭化室出來的荒煤氣首先在橋管處被大量的循環氨水噴灑。在此過程中，熱煤氣與70～75℃的呈細霧狀的氨水接觸，高溫煤氣放出熱量，使氨水霧滴迅速升溫和汽化，結果，煤氣溫度降到80～85℃，未被汽化的氨水溫度升高到75～78℃。煤氣中的焦油氣約為50～60%被冷卻下來，部分焦油與煤塵和焦炭?；煸谝黄饦嫵山褂驮?。煤氣經初冷器后溫度可降至30℃，此時，輕質焦油和氨水就冷凝下來。煉焦爐出來的焦爐煤氣經集氣管、吸氣管、初冷器、捕焦油器、回收氨和苯的系統等一系列的設備，然后才能變成凈煤氣送給不同的用戶，或送至貯罐。在這一過程中煤氣要克服許多阻力才能達到用戶的地點，為此，煤氣應具有足夠的壓力。另外，為了使焦爐內的煤氣按規定的壓力抽出，要使煤氣管線中具有一定的吸力，因此，必須在焦化工藝的流程中，選擇合理的位置設置鼓風機，一般焦化廠鼓風機的位置選擇在初冷器之后和捕焦油器之前，這是因為此時鼓風機的負荷較小，電捕焦油器處于正壓狀態下操作，比較安全。

2 現狀

某鋼鐵企業焦化廠煉焦爐鼓冷系統有400kW離心風機兩臺，一用一備，安裝在兩臺初冷器之前，即一臺鼓風機同時對兩臺初冷器中的煤氣進行抽取。從安全角度考慮，工藝上要保證初冷器內維持120Pa正壓，若初冷器內的壓力忽高忽低對安全的影響是巨大的。如果初冷器內的壓力過高，會使可燃性煤氣泄漏到生產現場環境中，可能發生爆炸對設備和人員造成損傷；若初冷器內的壓力低于120Pa，則空氣可能進入初冷器中與可燃性氣體混合，后果極其嚴重。因此，為維持初冷器內的正常壓力，鼓風機需要調速。另外，還要求兩臺初冷器內的正壓相同，均為120Pa。原系統采用液力耦合器調速。在初冷器的出口處設置手動閥門用人工調節，在調節過程中，不僅要調節閥門的開度，還要同時調節液力耦合器的油壓，以此調節風機的轉速。生產過程中管道閥門和風機轉速都需要調節，二者又有一定的耦合度，常常顧此失彼，很難達到工藝要求。另外，液力耦合器調速具有穩定性較差、調速不方便，且效率低的特點，為滿足生產工藝的要求和節能，需要對其進行改造。

3 改造方案

為節能和方便控制考慮，將液力耦合器調速改為變頻調速。為控制初冷氣器1和初冷器2內的壓力，采用壓力閉環和電動閥結合控制，該方法是在1#初冷器和2#初冷器上安裝兩只壓力變送器，變送器壓力值代表初冷器內的壓力值。以1#初冷器變送器的反饋值來控制變頻器的輸出頻率，使其穩定在120Pa的壓力上。但是1#初冷器和2#初冷器的出口風道是并聯的，由于某些因素，1#初冷器和2#初冷器的壓力值可能不相等，這時，由調節器送出的信號到2#初冷器電動調節閥，調節閥門的開度， 使2#初冷器的壓力值為120Pa。但是電動閥的調節又影響1#初冷器內的壓力值，1#初冷器的壓力變送器將檢測到的壓力信號的變化送變頻器，由變頻器使風機電機升速或降速，維持工藝要求的壓力值在120Pa。調節過程要經過幾次的反復調節，無需人工介入，都是自動進行的。煉焦鼓冷系統控制示意圖如圖1所示。

圖1 煉焦鼓冷系統控制示意圖

4 液力耦合器

液力耦合器是通過控制工作腔內工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉速的，電動機通過液力耦合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力耦合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載，這樣，可以通過控制工作腔內的油壓來控制輸出軸的力矩，達到控制負載的轉速的目地。因此液力耦合器也可以實現負載轉速無級調節，在變頻器未應用以前，液力耦合器不失為一種較為理想的交流電機調速方式。

液力耦合器從電動機輸出軸取得機械能，通過液力變速后送入負載，其效率不可能為1；變頻器從電網取的電能，通過逆變后送入電動機其效率也不可能是1。在全轉速范圍內，變頻器的效率變化不大，變頻器在輸出低轉速下降時效率仍然較高，例如：100%轉速時效率97%，75%轉速時效率大于95%，20%轉速時效率大于90%；液力耦合器的效率基本上與轉速成正比，隨著輸出轉速的降低，效率基本上成正比下降。例如：100%轉速時效率95%，75%轉速時效率約72%，20%轉速時效率約19%。液力耦合器用于風機、泵類負載，由于其軸功率與轉速的三次方成正比，當轉速下降時，雖然液力耦合器效率與轉速成正比下降，但電動機綜合軸功率還是隨著轉速的下降成二次方比例下降，因此在變頻器取代液力耦合器調速后，計算節能時，電機軸功率與轉速的一次方成正比。

5 改造方案的電氣原理圖和控制原理

（1）變頻器采用森蘭SB61P400kW?？紤]到電機是一用一備，為節省投資，兩臺風機電機共用一臺變頻器，當電機需要倒換時，僅改變電機外部的接線，變頻器控制原理圖如圖2所示。PT為壓力變送器，為四線式的壓力變送器接線，還有兩根電源線未畫出。R為給定調節，也可以用操作面板給定。KM1、KM2控制那臺電機運行。

圖2 變頻器控制原理圖

因為液力耦合器的效率較低，改造時不需要保留，可將其拆除。留下的空位可裝一臺減速箱，減速箱減速比的選擇，根據工藝條件決定。即變頻器輸出頻率50（60）Hz時，風機輸出最大風量。為減少減速箱安裝時的工作量，減速箱需認真選擇。

（2）壓力變送器的安裝

壓力變送器要正確的反映初冷器的壓力值，安裝位置值得研究，顯然安裝在初冷器上即可。為簡化控制，用1#初冷器壓力變送器的信號反饋到變頻器，由此控制1#初冷器的壓力；2#初冷器的壓力變送器的信號送到電動調節閥調節器上，控制閥門的開度，以平衡兩初冷器的壓力值。如圖1所示。

6 節能

改造過程中，去掉了液力耦合器后換為一臺5∶1的減速箱。生產運行時，變頻器的輸出頻率在34Hz上下變動，計算節能效果如下：

400kW 風機風量從100%降低到70%，

由于流量與轉速一次方成正比，因此轉速可以降低70%，負載功率理論上降為34.3%，如果變頻調速效率按0.95計算，再考慮電動機效率在低功率時和管道系統效率有所下降， 電網總輸入功率約：

400×（34.3%/0.95/0.85/0.95）=400×44.71%=178.84kW

如果采用液力耦合器，其效率按0.665 計算，電網總輸入功率為

400×（34.3%/0.665/0.85/0.95）=400×63.87%=255.12kW，

二者之差為節約的電能，即：

255.12-178.84=76.28kW

全年按300 日計算，年節電:

76.28×300×24=549216kWh。

據實際檢測本系統節能在21.9%，不到一年可收回投資，取得了非常好的經濟效益。