鋼鐵廠燒結主排風機變頻改造節電量校核方法的研究

朱紅兵 曹先常 劉詠梅

上海寶鋼節能環保技術有限公司

鋼鐵廠燒結主排風機變頻改造節電量校核方法的研究

朱紅兵 曹先常 劉詠梅

上海寶鋼節能環保技術有限公司

本文分析了導致燒結主排風機變頻改造后節能量波動的各種獨立變量，在獨立變量劣化趨勢不能改變的前提下，提出了采用動態電耗基準的節能量計算校核方法，可對主排風機變頻改造后的節能效果有一個客觀準確的評價。同時提出了多種節能措施下的節能分成比例的確定方法，在負荷變化范圍有限和變化周期不太頻繁的工藝系統中，風機設備提效改造的節能貢獻度遠大于變頻調節的貢獻度，此時決定節能效果優劣的主要因素在于主體設備風機本身的運行效率。

燒結；主排風機；節電；變頻；效率；電耗基準

1 主排風機變頻節電改造簡述

根據行業統計數據，燒結工序總電耗占燒結工序總能耗的比例達到30%，而主排風機作為燒結生產中的關鍵動力設備，其電耗占到燒結工序總電耗的40%左右，換言之，主排風機的電耗占燒結工序總能耗的12%。以一套550 m2的燒結機為例，雙風機配置，單臺電機容量為7 800 kW，作業率達94%，預計年總耗電達1億kWh。在一個年產量千萬t級的全流程鋼鐵企業中，這個數字已經占到企業年總電耗的1%左右，可見主排風機的電耗是巨大的。

很多鋼鐵企業囿于燒結生產負荷相對恒定的觀念，在燒結主排風機的變頻節能改造方面裹足不前。通過調研發現，目前大多數主排風機的調節裝置為入口翻板差動式徑向調節門，其原理是通過增加管路系統的阻力，以達到需要的風量風壓，適應料層變化和生產負荷調整的需要，此時電機仍然以額定轉速運行，所配套的變頻軟啟動裝置僅為風機軟啟動采用，在風機啟動完畢后仍然切換到工頻運行。該種啟動和調節方式在滿負荷生產狀態下是可行的，在厚料層燒結生產的過程中，能夠保持燒結負壓恒定，并且可以采用一拖二的啟動方式。從投資角度看，是有優勢的。目前市場占有率比較高的標準配置為：豪登公司的主排風機+西門子公司的變頻軟啟動裝置。

但通過多年的燒結生產運行數據分析，鋼鐵企業的管理者尤其是燒結分廠的工程師們逐漸意識到燒結主排風機的節能空間是確實存在的。吳朝剛等指出[2]：①燒結原料條件的變化，水分和粒級水質變化，燒結物料的透氣性改變；②為了追求燒結生產產品的高質量，需要對燒結過程進行終點控制；③燒結生產線上的任何一臺設備故障時，都會造成燒結機停機；④最不能忽視的在于：工藝設計方在主抽風設計過程中往往要考慮長期運行過程中可能發生的各種問題，選型時通常按系統最不利條件下的最大風量和風壓作為選型的依據，一般風量留有15%～20%的設計余量，風壓留有10%的余量，這樣就造成實際生產過程中主排風機能力往往比實際需求大出20%～30%。以上4個方面因素的影響，都必須要對主排風機的風量和風壓進行實時調節才能夠與生產工藝匹配。如果僅通過調節入口調節門的開度，主排風機的運行效率會大幅度降低，電力浪費比較嚴重。

根據對華東地區某鋼鐵企業450 m2燒結機主排風機進行測算，在不同入口調節門開度下其運行效率的變化值見表1。[3]

在入口閥門開度低于50°時，主排風機運行效率下降非常明顯，主排風機的單位產量電耗呈增加趨勢。

如果用變頻調速代替入口調節方式對主排風機進行燒結風量調節,在正常生產時將入口調節門開度開到最大, 主排風機運行工況按統計數據得出：風門開度35%、50%和80%，年運行時間分別占10%、10%和80%，作業率94%。據此可以計算出采用變頻器后入口調節門的節能率為：

上式中：

N——主排風機在入口調節門全開時工頻運行時的風機軸功率，kW；

0.822 ——主排風機在工頻運行時三種風門開度下結合年運行時間計算出來的功率因子；

0.726 ——主排風機在變頻調速狀態下結合年運行時間計算出來的功率因子；

95%——估算的電機效率；96%——估算的變頻器效率。

上述的節能率是在典型的工況統計后計算得出的數據，而其它的典型案例運行數據表明：濟鋼320 m2和400 m2燒結機，共4臺陜鼓生產的主排風機配套高壓變頻調速器后的節能率在18.2%；太鋼不銹450 m2燒結機，共2臺主排風機配套高壓變頻調速器后的節能率達24%。而華東某鋼廠燒結主排風機節能改造后長達兩年的運行數據表明：其實際節能率從驗收考核期的10%一路下滑到7%、6.5%、4%、2%，乃至最后出現了負值，也就是說，變頻改造后非但不節能，反而比改造前的電耗高出一大截。當然這樣的節能率是不能令人滿意的。這就需要從主排風機電耗影響因素、節能量計算及校核方法等方面進行論證和分析。

表1 主排風機不同風門開度下運行效率對照表

2 主排風機電耗影響因素分析

首先必須說明的是，主排風機的電耗值均以單位t礦的耗電量來計算，即以某一時間段內的主排風機總電耗與燒結礦產量的比值作為評判主排風機電耗的高低，而不是單純的電耗絕對值。

由于燒結生產是一個復雜的物理、化學反應的過程，影響主排風機電耗的因素從表面上看很多，包括：生產負荷的變化（上料量改變，燒結風量需求變化，歸結于對調節方式的要求）、物料性質變化（透氣性改變，歸結于管網特性的變化）、風機設備性能劣化（歸結于設備特性變化）、系統漏風率變化（歸結于管網特性變化），以上種種因素，會決定系統與設備的匹配是否良好，最終導致燒結有效風量相應變化，主排風機的電耗也隨之變化。

根據蔣大軍的推導結果[4]，決定主排風機電耗的因素不外乎以下3種：燒結礦成品率、系統漏風率和燒結負壓，具體推導過程可參見相應文獻。公式如下：

上式中：

U 為主排風機單位t礦電耗，kWh/t礦Qs——燒結1 t混合料需要的風量，m3/s，為恒量；

k——燒結礦成品率，%；

f——系統漏風率，%；

△P——燒結負壓，KPa。

可以將式（1）轉換成式（2）的形式來表現，可以更直觀地看出主排風機t礦電耗與影響因素的正負相關性關系。

上式中：

U——主排風機單位t礦電耗，kWh/t礦；

ki——燒結礦成品率，%；

fi——系統漏風率，%；

△Pi——燒結負壓，KPa。

由式（3）可以看出，主排風機電耗與燒結礦成品率呈反比，即燒結礦成品率越高，則主排風機的電耗也就越低，整個燒結工序電耗也隨之下降。可見，燒結礦產量是影響t礦電耗的關鍵因素之一。同時燒結負壓與主排風機電耗成正比。并且隨著時間的推移，燒結機的漏風成為影響主排風機電耗的關鍵因素。

以華東某鋼廠燒結機的漏風率為例，在長達20個月的記錄數據里，漏風率最高達到74%，最低57.18%，振幅達到30%，這對主排風機電耗的影響是不容忽視的。說明：漏風率計算按照氧平衡計算方法得出，并設定前測點（蔑條）處的平均含氧量為10%。

通過這樣的分析不難理解，上述幾個變頻改造的例子在驗收考核期的節能率都比較理想，而部分案例其節能率卻隨時間推移大幅度下滑。因為驗收考核期適逢燒結機進行大修后漏風率比較理想的狀態，此時燒結機漏風率一般與設計值30%偏差不大，但運行一段時間后，漏風率一般都在50%左右，甚至高達60 %～70%,這些有害風量都從主排風機經過，勢必大大增加風機電耗，導致主排風機配套的變頻調速裝置調節空間縮小，甚至全部在工頻下運行[5]。因此從投資角度看，燒結主排風機的變頻節能投入存在一定的投資風險。

導致系統漏風增大的原因除了設備及煙道縫隙這一主要因素外，料層的透氣性變差也會加劇漏風率的增大，料層透氣性的變化實質上是改變了燒結系統管網的特性。如果漏風率治理措施到位并有效的話，而料層透氣性不能同時得到改善的話，只會導致管網特性曲線變得陡峭，燒結風量減小，從而導致主排風機的變頻調節空間減小，基本上在額定轉速附近運行。這一點可從華東某鋼廠的4號燒結機上反映出來。下面具體分析一下。

圖1 燒結機漏風率和含氧量對比圖

將該主排風機的設計參數與歷年的運行數據（換算后）對比如表2。

根據上述3個數據點擬合出其對應的管網特性曲線，見圖2。

從結果可以直觀地看出，由于2017年的測試是針對新更換的轉子，基本可排除轉子本身出力導致燒結風量減小的問題。問題的癥結只可能在于：隨著時間的推移，燒結系統的管網阻力曲線與設計值相比發生了變化，阻力特性曲線變陡，導致燒結風量比設計值減少了17.5%，換言之，主排風機的運行點已經處于設計點偏左的下方[6]。

按照燒結工藝要求，一般單位燒結面積的適宜風量為90± 10 m3（工況）/（m2?min），處理原料為褐鐵礦、菱鐵礦時取大值。而目前該4號燒結機的單位燒結面積風量則為[5]：

圖1 系統管網特性曲線對比圖

表2 主排風機設計參數與運行數據對照表

可見目前該4號燒結機的單位燒結面積風量已經低于工藝需求的下限值。在厚料層燒結生產的情況下，為了保證富氧燒結和改善燒結礦的質量，4號燒結主排風機即使在處于額定轉速運行、入口閥門全開的前提下，能力也是稍欠不足的，這樣就大大壓縮了變頻運行時的調節空間。

《燒結設計手冊》中統計的相關廠家數據見表3[5]。

目前變頻運行下的節能效益很小，已經嚴重影響到合同能源項目的效益分享。在原料條件和系統管網特性不能復位的情況下，又要保證投資方的利益，只能從節能量計算及校核方法方面進行探討分析。

3 節能量計算及校核方法

所謂節能量，定義為基準電耗與當期電耗的差值，因此只需分別理清基準電耗和當期電耗的確定和計算方法，就可以對節能量有一個準確的認識。

3.1 基準電耗的計算與確定

確定基準電耗的幾種方法[7]。

（1）當分表計量電耗和獨立變量（如成品率k、燒結負壓ΔP和漏風率f等）數據記錄完整時，可通過建立回歸模型的方法來確定基準電耗。即根據記錄數據，得到以成品率、燒結負壓和漏風率為自變量的基準電耗函數，據此函數可預測出各統計期內（如：各月）用電量的結果，并與實際的統計期內的耗電量相比，如偏差控制在±5%以內則可信。

（2）當分表計量電耗完整，而獨立變量數據部分或完全缺失時，可通過約定獨立變量調整的方法得到基準電耗。比如：可得到單獨以燒結機漏風率為自變量的基準電耗函數。

（3）當分表計量電耗數據完全或部分缺失時，可采用相似日測量法得出基準電耗值。

針對燒結廠主排風機基準電耗，由于受3個獨立變量的影響，并且3個獨立變量的測量儀表或計算方法存在一定的偶然誤差，包括改造前的分項計量儀表的精度并不能滿足《合同能源管理通則》對計量儀表的精度要求，因此主排風機的基準電耗只能采用上述的第三種方法來執行，即相似日測量法得出基準電耗值，基于燒結主排風機系統，則可稱之為動態基準值的計算方法。

依據基準電耗和當前電耗的定義：

所謂的基準電耗：是指根據改造前后的獨立變量的變化，對改造前分表計量的電耗數據進行調整后的電耗數據。當前電耗是指改造后的分表計量電耗數據[8]。而采用動態基準值的計算方法，則基本可以消除3個獨立變量對主排風機電耗節約值的影響，換言之，動態基準值已經潛在地對改造前分表計量的電耗數據進行了相應的調整。

具體實施方法如下：

采用相似日測量方法分別得到主排風機的基準電耗和當前電耗。即在主排風機節能改造項目驗收通過運行后，根據系統運行和相關獨立變量變化的特點，每個效益結算周期內（如1個月或3個月）確定1天或幾天切換到改造前的系統運行控制方式下運行，利用滿足精度要求的計量儀表記錄該時間段內的相關獨立變量和電耗數據，計算出主排風機該時間段內的單位t礦電耗，作為基準電耗。如果改造涉及到設備本身的高效改造時，則在計算基準電耗時需考慮改造前后新舊設備的能效影響。在忽略其他次要因素的前提下，基準電耗與風機設備效率的一次方成反比。同時在每個效益結算周期內的其它時間段內均采用改造后的節能方式運行，并記錄相關的獨立變量與電耗數據，計算出每個效益結算周期內的當前電耗。一般而言，每個結算周期在1個月或3個月，影響電耗的三個獨立變量與基準電耗測試時的數值相近或相似，這樣采用相似日測量的方法，可得出主排風機節能改造后的節能量。

表3 單位燒結面積風量對照表

需要特別說明的是：改造前的設備基準電耗通過短期的運行測試然后通過計算得到，一般認為在如此短的時間內，要對系統所有的運行工況都進行測試是不現實的。而合合需要說明的是：主排風機系統的運行工況在一個時期內是相對穩定的，基準測試時的工況基本可以覆蓋系統的主要運行工況，并且其采用的是動態基準法，即在每個結算周期內都會重復這樣的測試工作作為本期的結算依據，長期來看，多次測量法可以消除工況對基準電耗統計的影響。

以華東某鋼廠的燒結機主排風機為例計算。2016年9月～11月季度的當前電耗計算過程：計量期間合計電耗為896.6萬kWh，期間燒結礦產量為41.13萬t，得出當前電耗值為：21.8 kWh/t礦。而在本次效益分享結算周期的最后一天將系統運行控制方式切換到改造前的工頻方式運行24 h，計量期間合計電耗為12.406萬kWh，期間燒結礦產量為0.511 22萬t，得出本次效益分享結算周期內的基準電耗值為24.3 kWh/t礦，得出節能率達到10.2%左右，與原先約定的考核指標是吻合的。此時尚未考慮主排風機提效改造的節能貢獻，后文闡述。

3.2 多種節能措施下的節能分成比例確定

對于燒結主排風機系統的節能改造，往往涉及到組合節能技術的應用，包括燒結系統改造（包括漏風綜合治理）、調節控制方式改造（將原工頻運行+入口閥門調節方式改造為變頻運行調節方式）、主排風機設備提效改造。尤其是燒結系統的改造包括了燒結機機頭和機尾密封改造、卸灰閥改造、布料系統以及電除塵裝置的改造，這部分的改造由于與生產工藝的結合度較高，一般由業主方自行改造。這部分改造對降低主排風機的系統電耗是有益的。對于合同能源管理項目，如何將這部分的節能貢獻度從整體的節能效益中進行剝離是很有必要的，這樣可以明確業主方和投資方的節能效益的各自貢獻度。

從圖3中可清晰地得出幾種組合技術各自的節能貢獻占比[9]。

仍然以華東某鋼廠燒結機主排風機改造為例，因為涉及到上述組合節能技術的應用。其中的A值根據業主方歷年的臺賬統計得出為30 kWh/t礦，僅作為業主方衡量后續系統大修改造后漏風治理效果的判斷依據。由于主排風機改造與系統大修改造同步進行，B值只能根據新風機與老風機的效率對比折算得出。根據相似日測量方法，在相關獨立變量接近的前提下，同樣的產量下其需求的燒結風量和燒結負壓是基本恒定的，這時的基準電耗就只與風機設備的運行效率成反比了。B值的計算公式如下：

式中：

C——實測當期24 h的基準電耗量，kWh/t礦，本例為24.3 kWh/t礦；

η1——舊風機運行效率，%，本例實測為73.4%；

圖3 組合節能技術節電計算圖

η2——新風機運行效率，%，本例實測為86.6%；

這樣計算得出B值為28.7 kWh/t礦。結合上述分析和圖3所示，D值即為實測當期電耗，為21.8 kWh/t礦，這樣可依次得出各節能技術的節能效果如下：

變頻改造節電值△V=C-D=24.3-21.8=2.5 kWh/t礦風機改造節電值△F=B-C=28.7-24.3=4.4 kWh/t礦系統改造節電值△S=A-B=30-28.7=1.3 kWh/t礦組合技術總節電值為A-D=30-21.8=8.2 kWh/t礦

這樣可得出組合技術的節電占比分別為：變頻改造約占30%、風機改造約占54%，系統改造約占16%。由此可見風機提效改造在其中占了一半以上的比重。在本案例中，B值作為業主方與合同能源管理項目實施方效益分享結算時的電耗基準值，并且在每個結算周期內根據實測的動態基準值C進行折算得出，此時的節電率達到24%，遠超過雙方約定的12%節電率的考核指標。其中的系統改造節電值S則作為業主方內部考核系統大修后漏風治理的節電值。

4 結論

理論分析和實際案例均表明，燒結主排風機變頻改造存在節能空間，但由于影響主排風機電耗的邊界條件（即獨立變量）隨著時間的推移呈現動態變化，這給節能率的評估和計算帶來了較大的不確定性。引入動態電耗基準值的概念，可較好地解決這一問題。同時也進一步明確了變頻改造和風機設備提效改造組合技術的應用是相輔相成的。在負荷變化范圍有限和變化周期不太頻繁的工藝系統中，風機設備提效改造的節能貢獻度是大于變頻調節的貢獻度的，此時決定節能效果優劣的首先在于主體設備風機本身[10]。

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[10] 馬云鵬. 對風機水泵調速節能最佳方案的討論[J].電氣牽引，2007(1):4-7.

美研制成功自愈薄膜可極大改善氫燃料電池使用壽命

最近，美國特拉華大學的研究人員成功開發出一種可以自愈的薄膜，有利于延長氫燃料電池的使用壽命。在一塊氫燃料電池中，經常會用到全氟磺酸薄膜。隨著時間的推移，在使用過程中曼曼磨損破裂，產生了裂縫和孔洞，讓氫氣和氧氣直接接觸，造成彼此和整個電芯的損傷。目前解決方案是整個替換組裝好的膜電極，但操作成本相當高昂。為讓燃料電池長期穩定使用，特拉華大學研究團隊開發出了這種自愈薄膜。

該薄膜包含了微囊劑的自修復聚合物、混凝土。在遭遇壓力時，這些微囊劑會破裂流出并堵住孔洞。

經長達 220 小時的耐久性試驗，研究人員發現這種微囊劑可以極大改善薄膜的使用壽命。

（cnBeta.COM）

Study on Electric Power Saving Checking Method of Sintering Main Exhaust Fan VF Renovation at Iron and Steel Works

Zhu Hongbin, Cao Xianchang, Liu Yongmei
Shanghai Bao Steel Energy Saving Environment Protection Technology Co.,Ltd

The article analyzes various independent variables causing changes of energy saving after sintering main exhaust fan VF renovation. Under the condition of unchanged independent variables deterioration trend, the author puts forward applying dynamic electric power consumption benchmark as energy saving calculation checking method to evaluate energy saving effect objectively and accurately after sintering main exhaust fan VF renovation. Meanwhile the author puts forward confirmation method of energy saving division ratio with several energy saving measures. When load changes is limited and process system change cycle is not frequent, energy saving contribution of improving fan equipment efficiency is more than variable frequency adjustment. Fan equipment operation efficiency determines energy saving effect by itself.

Sintering, Main Exhaust Fan, Electric Power Saving, Variable Frequency, Efficiency,Electric Consumption Benchmark

本課題研究得到國家重點研發計劃資金支持（課題號：2016YFB0601402）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.11.006

Fund Item: National Key Research Plan Fund Support (No. 2016YFB0601402)

朱紅兵：（1968-），男，本科。專業流體機械及系統節能，高級工程師。