方大特鋼煉鋼廠80萬除塵風機變頻節能改造方案設計

李樹光++羅小武++鐘海兵

摘 要：方大特鋼煉鋼廠80萬除塵系統目前使用液力耦合器啟動，該除塵風機耗能量較大，且輸出功率不能自動調整以適應生產負荷的變化，只能通過手動調整，這樣無疑降低了負載運行效率，進而在節流損失中浪費了大量能源。該文中的幾種技術方案主要針對方大特鋼煉鋼廠節能改造的要求，系統地闡述了高壓變頻技術設計方案，并就方案應用后的預期效果進行了表述，以期為除塵風機的變頻改造提供參考依據。

關鍵詞：除塵風機 改造方案 節能 變頻器

中圖分類號：TM344 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0088-02

為響應國家號召、實現單位節能降耗、提高煉鋼系統的生產效率和安全可靠性，煉鋼廠二次除塵風機擬采用全數字交流高壓變頻器作為驅動系統。變頻器是電機調速的主要裝置，高壓變頻調速系統直接串聯于高壓電源與高壓電機之間，因現場改造、安裝方便及良好的調速和節能性能，在冶金行業的節能改造項目中得到了越來約廣泛的應用。應用高壓變頻調速技術可以大大提升系統的自動化程度、減少因調節擋板和管道而導致的擋板和管道磨損、降低常停機檢修所帶來的經濟損失，這樣既可以滿足生產需求，又可以節約電能，同時還可以減少維護成本，從而達到通過改變設備運行速度來調節現場所需風壓、風量的大小，同時增創煉鋼廠效益的最終目的。

1 方案設計目的

該技術方案主要針對方大特鋼煉鋼廠節能改造的要求，系統地闡述了高壓變頻技術設計方案，以便于進行變頻改造。

方大特鋼煉鋼廠80萬除塵風機參數（見表1）——目前為液耦調速運行（共1臺）。

2 系統方案設計

2.1 系統主回路控制方案

該方案是手動旁路的典型方案。原理是由3個高壓隔離開關QS41、QS42和高壓開關QF、電動機M組成（見圖1）。變頻運行時，QS41和QS42閉合。高壓開關QF、電動機M為現場原有設備。在檢修變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全，同時也可手動使負載投入工頻電網運行。改造時，將高壓變頻器串聯進現有高壓開關柜與高壓電機之間，正常工作時采用變頻回路，QS1和QS2閉合。

對于設備配套的相應高壓變頻器，采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，不需要更換電機。

2.2 變頻器系統控制方案

2.2.1 系統控制方案

在母管上新增測壓點，能較為準確地提供一個母管壓力值（此為4～20 ma信號）給變頻器，變頻器采用閉環控制方式，可根據預先設定的系統風道所需壓力，進行自動的升降速的調整。例如，兩臺LF爐沒有煉鋼的時候，除塵閥門均關閉系統壓力會升高，變頻器接收到這個信號后，可自動調整降低運行頻率，使系統達到設定的壓力值。這樣既可滿足現場除塵的需要，又能夠節省大量的電能。

高壓變頻器和現場PLC控制系統硬接線連接的接口如下。

（1）需要提供的開關量輸出6路：①變頻器待機狀態：表示變頻器已待命，具備啟動條件；②變頻器運行狀態：表示變頻器正在運行；③變頻器控制狀態：節點閉合表示變頻器控制權為現場遠程控制，節點斷開表示變頻器控制權為本地變頻器控制；④變頻器輕故障：表示變頻器產生報警信號；⑤變頻器重故障：表示變頻器發生重故障，立即關斷輸出切斷高壓；⑥電機在工頻旁路：表示電動機處于工頻旁路狀態。以上所有數字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220 V、3 A/DC24 V，1 A。

（2）變頻器需要提供的模擬量2路：①變頻器輸出轉速。②變頻器電機電流：變頻器提供2路4～20 mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250 Ω。

（3）需要提供給變頻器的模擬量1路：變頻器轉速給定值。現場提供1路4～20 mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須>250 Ω，4～20 mADC對應轉速低高限，須呈線性關系。

（4）需要提供給變頻器的開關量有2路：①啟動指令：干接點，3 s脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。②停機指令：干接點，3 s脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。

2.2.2 變頻器與現場電源開關柜接口

（1）變頻器給高壓開關柜的有2路：①高壓緊急分斷：變頻器出現重故障時，自動分斷高壓開關，閉點有效；②高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統處于工頻狀態，具備上高壓條件，閉點有效。以上所有數字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為DC220 V，3 A。

（2）高壓開關柜給變頻器的狀態信號1路：高壓開關分閘信號。高壓開關處于分斷時，輔助節點閉合；1個。

因80萬除塵風機在遠方操作室有上位機監控，變頻器的操作監控均可以實現進行遠方變頻監控。

2.3 原液耦調速方式改造方案

拆除原液耦，電機往前移。

3 方案應用預期效果

3.1 節能分析

3.1.1 現場工況及負載技術數據

80萬除塵風機運行參數：實際運行電流180A，實際運行電壓6 kV，實際運行功率因數0.87，風機轉速960 r/min，年運行時間8000 h，年平均電價0.7元/度。

3.1.2 工頻狀態下的耗電量計算

電機耗電功率計算公式：Pd=×U×I×cosφ①

累計年耗電量公式：Cd=T×∑（Pd×δ）②

Pd：電動機功率；Cd：年耗電量值；U：電動機輸入電壓；I：電動機輸入電流；cosφ：功率因子；T：年運行時間；δ：單負荷運行時間百分比。endprint

通過計算可得：設備工頻運行功率1708 kW；年耗電量13664000度，年耗電費9564800元。

3.1.3 變頻狀態下的年耗電量計算

雖然二次除塵風機采用液耦運行，但是實際情況是液耦并沒有根據現場工況進行調速，而是穩定在85%的開度一直運行。這樣的話在兩臺精煉爐非冶煉期間（約為整個所有周期的三分之一時間）有兩個出風口關閉的時候，也會產生電能的浪費。所以變頻改造后，利用變頻器的自動調整，節能共有兩個部分組成。

（1）對比液耦時變頻器的耗電量，計算如下：

③

其中為液耦時工頻功耗；為變頻時功耗；為風機軸功率；為電機效率； 為液耦效率；為變頻器效率。

由液力耦合器的運行特性可知，

④

其中為風機實際轉速，為電機額定轉速。

累計年耗電量公式：Cb=T×∑（Pb×δ）⑤

其中，Cb：年耗電量值；為變頻時功耗；T：年運行時間；δ：單負荷運行時間百分比。

（2）對于風量減小時，變頻器的耗電量計算如下：

計算公式：⑥；

網側消耗功率：⑦

累計年耗電量公式：Cb=T×∑（Pb×

δ） ⑧

P'：風機實際軸功率；P0：風機額定軸功率；Cb：年耗電量值；'：風機實際流量；0：風機額定流量；H'：風機出、入口壓力差；H0：風機額定風壓；T：年運行時間；δ：單負荷運行時間百分比。

根據計算公式③～⑧，可得出變頻情況下負載的耗電量，如表2。

3.1.4 節能計算

年節電量：ΔC=Cd-Cb⑨；

節電率=（ΔC/Cd）×100%⑩

根據公式⑨⑩，可計算出各負載上變頻后與工頻相比每年的節電情況，如表3。

3.2 其他預期效果

3.2.1 降低了維護成本

實現變頻節能改造后，不管是何種工藝條件，都能夠自動調整轉速以適應系統工作的額定狀態。一般來講，變頻節能改造方案的設計目的是降低電機轉速，電機轉速的降低可以延緩啟動時間，延長各零部件的使用壽命，并且可以明顯降低電機沖擊，減少電機檢修的頻率，與之相應的，也節約了大量的檢修開支，明顯降低了檢修維護的成本。

3.2.2 減小了工作強度

改造后的變頻調速系統在運轉和備用設備之間建立了計算機聯鎖控制，機組操作工作擺脫了手動操控，實現了無人操作，系統可自動運行、自動保護、自動檢測、自動報警等，明顯節省了人力資源，減少了工作強度，提高了生產效率。

3.2.3 延長了電網壽命

實現變頻節能改造后，系統啟動方式轉變為軟啟動，這種方式會使啟動電流明顯低于額定電流，這樣就會延長系統啟動時間，進而明顯降低了電網的沖擊和電機的機械損傷，同時延長了電網和電機的使用壽命。

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