高壓變頻器在焦爐煤氣鼓風機上的節能和應用＊

祁衛璽，黨懷東，楊亞洲

（1.黃河鑫業有限公司，青海西寧810000；2.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020；3.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水 741020）

高壓變頻器在焦爐煤氣鼓風機上的節能和應用＊

祁衛璽1，黨懷東2，3，楊亞洲2，3

（1.黃河鑫業有限公司，青海西寧810000；2.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020；3.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水 741020）

化工、鋼鐵等企業是高耗能企業，隨著國家在節能降耗方面一系列優惠政策的出臺，越來越多的化工企業根據自身生產狀況，在逐步落實節能降耗，高壓變頻器的應用越來越廣泛，諸如在焦化廠煤氣鼓風機、除塵風機、以及循環水泵，煉鐵廠燒結風機，煉鋼廠轉爐一次二次除塵風機等重要負載上的應用，高壓變頻器的應用不僅為化工企業降低了生產成本，提高了產品競爭力，還因其調節性能好，可以改善風機和電動機啟動，會延長設備的使用壽命。本文針對傳統的煤氣鼓風機系統的耗能問題，采用高壓變頻技術對其進行變頻改造，以達到節能增效的目的，最后通過對改造前后的數據分析計算，證明了使用該技術的可行性。

高壓變頻器；煤氣鼓風機；PID調節算法

1 引言

焦爐煤氣鼓風機是焦化生產的關鍵設備，它對保證焦爐正常清潔生產、穩定焦炭質量、延長爐體壽命、節約能源起著重要的作用。某公司焦化廠采用4×55孔5549C搗鼓焦爐，年產500萬噸，4臺焦爐在2008年12月依次投產。傳統的焦爐煤氣鼓風機系統主要由 D1250－221離心風機、YB710M2－2／1250kW 電機、GST50 YOTG00 450 液力耦合器和變速箱等構成。其中，電機與耦合器、耦合器與變速機之間采用膜片式聯軸器聯接傳動，變速箱與鼓風機之間采用齒輪式聯軸器聯接傳動，系統圖如圖1所示。

圖1 傳統鼓風機系統簡圖

傳統的焦爐煤氣鼓風機系統存在的問題有：①在生產過程中，由于煤氣量波動較大、使用單位用量不均衡等因素的影響，會導致對焦爐集氣管壓力的調節、控制滯后，因此通過液力耦合器對系統的控制和調節難以滿足生產要求。②通過調節液力耦合器開度來控制鼓風機的轉速，配合調節大回流的調節閥控制初冷器前吸力。但是由于液力耦合器軸承質量等問題多次出現安全事故，嚴重制約著生產進程。③鼓風機電機長期在工頻狀態下運行，能源浪費較大。

通過系統的原理分析研究，提出使用變頻調速來改變鼓風機轉速，從而調節集氣管壓力的方案。通過變頻調速，可實現電機轉速連續無級調速，調速范圍寬，調節精度高，極大地提升了生產效率，進一步通過電機的軟啟動，解決了啟動沖擊及設備磨損的問題。

2 高壓變頻改造方案

為了穩定煤氣管網壓力，減少設備故障，優化工藝參數，達到節能降耗的目的，2015年7月某公司對3臺煤氣鼓風機進行技術改造。

煤氣鼓風機系統的變頻改造主要是拆除原有液力耦合器（圖1中的虛線部分），將電機與增速機直接聯接，新增高壓變頻器對電機進行調節、控制。系統采用“兩運一備”的控制方案，每臺煤氣風機配一套高壓變頻器，其主回路如圖2所示。

圖2 主回路圖

由于煤氣鼓風機是焦化生產的重要設備，需要24小時連續運轉不能停機，因此，由3臺電機分別帶3套鼓風機運行，3套系統相互備用。為保證系統的安全性和可靠性，以保證任何時候有2臺風機正常運行，給電機 1＃、2＃、3＃供電的 3臺高壓開關柜和變頻器通過機械和電氣的方法連鎖，當變頻器、電機等出現故障時，本系統會立即切換閥門狀態，將另一臺處于低速運轉的熱備風機投入工作狀態。當1＃、2＃鼓風機變頻運行，要停機檢修1＃變頻器或風機時，投入3＃鼓風機。操作先啟動3＃鼓風機，同時停1＃變頻器。由于機前壓力實現PID閉環控制，使得1＃變頻按照設定的減速時間，平滑停車，進口閥門流量緩慢減小。相反，3＃鼓風機按照設定加速時間，轉速平滑上升，進口閥門流量緩慢增加。這樣保證機前集氣母管壓力恒定，實現兩臺鼓風機無擾動切換，解決原控制系統下兩2臺鼓風機切換時，因產生系統管網壓力發生劇烈波動的問題。系統流程如圖3所示。

圖3 系統流程簡圖

另外，變頻器與集氣管壓力自控制系統采用無縫連接，裝置單元根據不同波形采取不同的控制參數來響應，對高壓變頻器進行自動控制，達到節能和保證焦爐集氣管壓力穩定的目的。交流電機的變頻調速，以其強大的特性優越于其它的調速方式，特別是能夠實現非階梯地連續改變速比的同時，可以挖掘風機及管網節流裝置的節能潛力。

3 改造后的運行效果及節能分析對比

2016年初某公司完成了煤氣鼓風機變頻改造。通過DCS系統利用PID調節算法計算輸出4mA－20mA模擬電流信號發給變頻器，如圖4所示，來進一步調節變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，系統可以任意進行開環和閉環控制，更好地滿足工藝和生產的需求。

圖4 PID控制框圖

抽取煤氣流量、風機轉速相同狀態下3臺煤氣風機變頻改造前、后幾組運行數據進行對比分析，數據如表1所示。

表1 煤氣流量、風機轉速相同狀態下的年耗電量計算

以工業電價0.54元／kW＊h計算。全年可節省電費 117.84x0.54＝63.63 萬元。

通過對表1所示出的系統改進前后的數據分析得知：

（1）通過對煤氣鼓風機進行變頻器改造，減少了因液力耦合器引起的設備故障，大大提高了煤氣鼓風機在調節煤氣管網壓力的作用，保證焦爐集氣管壓力控制的平穩。

（2）改造前煤氣風機運行時風量和風壓的調節要靠調整大回流閥開度來完成，相當一部分功率消耗在調節風門上。改為使用變頻系統以后調節更平穩、精確，電機在低于額定功率的狀態下運行從而達到節能的目的。

（3）改善了電機啟動對電網和變壓器的沖擊，減輕了機械轉矩對電機、增速機傳動系統的機械損傷。有效地延長了設備的使用壽命。

（4）增加了系統運行的穩定性。風機運行狀況較改造前大大改善。

（5）設備運行穩定，系統調節方便，能耗大大降低。

4 結束語

煤氣鼓風機通過應用高壓變頻調速技術，系統可以任意進行開環和閉環控制，較好地實現了軟啟動功能，電機啟動電流遠遠小于額定電流，對電網無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械的損傷，降低了噪音和震動系數，有效地延長了電機的使用壽命，且系統操作簡單、調節方便，運行穩定可靠，大大改善了設備運行工藝。

此變頻器改造工程雖然成本較高，但是從經濟方面分析可以看出變頻器節電效果明顯，運行兩年基本可以收回全部投資。在當今面臨能源危機時，企業的節能降耗措施不僅有近期的直接經濟效益更有長遠的社會效益。該方案也可在電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個領域成功應用和推廣。

Energy－saving application of high－voltage frequency converter in coke oven gas blower

QI Wei－xi1，DANG Huai－dong2，3，YANG Ya－zhou2，3
（1.Huanghe Xin Ye Co.，Ltd，Xining 810000，China；2.State Key Laboratory of Large Electric Drive System and Equipment Technology，Tianshui 741020，China；3.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，China）

The chemical，iron and steel enterprises belong to the high energy－consuming industry.With the implementation of a series of preferential policies for energy－saving and consumption－reducing in our country，the more and more chemical enterprises combine with their own production conditions to gradually implement the energy－saving and consumption－reducing project，and the applications of the high－voltage frequency converters are becoming more and more wide.Aiming at the energy consumption problem in the traditional gas blower system is transformed.The high－voltage frequency conversion technology is adopted to transform the system so as to achieve the energ－saving and efficiency－increasing purpose.Finally，the feasibility of using this technology is proved by the calculation and data analysis before and after the system transformation.

high－voltage frequency converter；gas blower；PID adjustment algorithm

TP273；TP13

A

2017－05－10

1005—7277（2017）02—0048—03

甘肅省杰出青年基金（1606RJDE321）

祁衛璽（1973－），工程師，本科，長期從事電氣設備的調試、管理工作。