SO2風機節能改造控制系統

唐百發

（江西銅業集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

江西銅業（德興）化工有限公司坐落在德興市香屯工業園，是近年來加強地礦合作、靠大聯大，實現雙贏的一個重點招商引資項目。主導產品有：年產10.2萬t 98%工業硫酸，年產高品位硫酸渣（鐵精礦）4.2萬t，年余熱發電1800萬kW·h，采用氧化焙燒→酸洗凈化→“3+1”兩轉兩吸→余熱發電工藝和DCS系統自動控制，回收高、中溫位廢熱用于發電，廢水循環利用，產出稀酸用于礦山廢石堆浸和選礦作業，制酸硫酸渣含鐵64%以上，作為鋼鐵廠燒結球團的優質原料，獲得良好的經濟效益和環境效益。

目前SO2風機（800kW/6kV）進口閥門開度為40%左右，電機運行電流80A左右，依據節能測算，具有一定的節能改造空間，以降低電機耗能，節約生產用電。

2 SO2風機現狀分析

目前SO2風機（800kW/6kV）采用水阻啟動形式，水阻啟動完成后電機轉入工頻全速運行，如因生產工藝需要，需調整風機出口壓力時，需要操作工到現場手動盤動進口風管上的風門控制閥來調節風機出口管道壓力，以滿足生產的需求。經現場實地檢驗考察，根據生產情況的不同，風機出口壓力變化范圍為25～32kPa。調節閥是安裝在現場高處平臺上，此處的有害氣體濃度較高，噪聲較大，操作工調節時存在著一定的安全風險。另外，手動調節的響應時間是比較長的。

SO2風機在實際生產中由于生產工藝過程的變化，會帶來工況的波動，使大部分風機工作區間在非額定工作狀態，只能采用百葉窗式擋板閥門調節流量的傳統方式進行調節，增大了供風系統的節流損失，導致了大量的能量損耗在擋板截流過程中（對風機而言，最有效的節能措施是采用電機調速調節流量，由于風機為平方轉矩負載，軸功率則與轉速大致成立方關系，所以當風機轉速下降時，消耗的功率大大下降。）。

SO2風機由于采取增加風阻、電機能耗及犧牲風機效率的傳統擋板調節方式來達到流量的調節，所以煙氣對擋板閥門和管道沖擊較大，風機等相關設備運行及維護稍不小心，就會嚴重損壞設備。

SO2風機的擋板閥門執行機構為角行程電動執行機構，故障較多，不能適應長期頻繁調節，調節線性度差，較難實行閉環自動控制，且動態性能不理想，即使在控制系統反饋信號顯示為100%時，百葉窗實際調節角度也只有80°左右，從而加大了風阻，增加了電機能耗及設備損耗，有一部份的能量損耗在擋板上，把浪費的這部分能量節省下來，也就是節電了。

SO2風機采用直接啟動時，啟動電流一般達到電機額定電流的6～8倍，即便選用水電阻、軟啟動的方式，啟動電流也會達到電機額定電流的2～5倍，仍然會對電網造成的較大沖擊。

如上所述，SO2風機在實際生產中由于工況的波動，大多數情況下并不需要額定的參數流量，因此，風機消耗電能所提供的穩定的風機功率及壓力的一部分浪費在調節擋板上了［1］。

3 節能改造系統應用分析

3.1 保證電機溫升在安全范圍以內

節電系統采用先進的控制技術，融合了電機磁通優化控制、電機立體模擬控制、變頻控制等先進技術于一體，在對普通異步電機節能改造過程中，充分考慮了電機結構及散熱方式。針對風冷散熱形式的高壓電機，DS9000高壓節電系統在改變電機運轉速度的同時，也降低了電機電流，使得電機自身發熱量也跟隨降低。

電機自身發熱由其轉軸自帶的風機進行散熱，由于電機轉速降低，散熱風機風量也隨機降低，結合電機自身發熱量P=I2R，在節電改造過程中，不改變電機結構，故公式中R保持不變，發熱量與電流I成平方關系，即電機在調速過程中減小電流量與減小的發熱量成平方關系，在電機電流降10%時，發熱量降低約19%；同時，結合散熱風機運行曲線（圖1）。

圖1 轉速與風量曲線關系圖

圖1中H為轉速，Q為風量，轉速與風量成曲線關系，當電機電流降低10%時，轉速約降低7%，根據圖1可看出，轉速由最高速降低時，風量沒有明顯降低，即轉速降低7%時，散熱風量依然可達到90%，故散熱風機自身散熱量足以滿足電機調速需求。

此外，節電系統采用先進的磁通優化控制技術，在電機運行過程中，優化電機磁通，提高電機運行效率，在同等轉速情況下，進一步降低電機運行電流，減小電機自身散熱。

實際應用過程中，在采用一系列先進控制技術的基礎上，結合各廠家電機制造工藝差別等因素，節電改造后，電機溫度變化由實際運行工況決定。普通異步電機改造后電機溫度與現有工頻運行的溫度相比變化不大，如果均能控制在10%以內的話，完全能滿足電機長期安全穩定運行要求。

3.2 能實現無沖擊軟啟動，啟動可靠

采用節電控制技術控制SO2風機運轉，電機能實現軟啟軟停，啟動電流不超過電機額定電流的1.2倍，減少了風機啟動過程中大電流對電網的沖擊，電機使用壽命延長。同時還降低了SO2風機啟動負荷對變壓器容量需求，節約成本。在整個運行范圍內，電機可保證運行平穩，損耗減小，溫升正常，減少機械損傷，降低維修成本。節電控制技術以高可靠電子元器件為基礎，啟動過程快速可靠，啟動次數不受限制。采用節電控制技術可在額定電流以下，低轉速時達到100%啟動轉矩，過載能力可達到電機額定功率的150%以上，滿足各種工況的啟動、運行需求。

3.3 節能運行，降低運行成本

采用節電控制技術，可根據實際需要調整運行速度，只需調整節電系統輸出頻率即可直接改變電機轉速，調節效率高，沒有其他過多能量傳遞損失，節電效果明顯，可達到15%～40%節能效果。

3.4 操作簡便，極易控制速度

采用節電控制，只需在節電系統柜門上或者遠程操作系統即可控制設備的啟停，還可根據實際需要，調節節電系統運行輸出頻率，控制運行速度，調速范圍0～50Hz，控制精度可達到0.01Hz，滿足不同工況的應用需求。

3.5 提高功率因數

電機直接由水阻啟動時，滿載時功率因數為0.8～0.9，實際運行功率因數遠低于額定值。采用節電系統控制，電源側的功率因數可提高到0.95以上，大大的減少無功功率的吸收，進一步節約上游設備的運行費用。

3.6 增強電機的保護功能和可靠性

與水阻啟動系統相比較，節電系統具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項保護功能，更可靠地保護了電機和配電設施。節電調速系統適應電網電壓波動能力強，電壓工作范圍寬，電網電壓在-25%～+15%之間波動時，系統均可正常運行。

3.7 實現高度自動化控制

由于調速系統在運轉設備與備用設備之間實現電腦聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，提高了生產效率，為優化生產運營提供了可靠的保證。實現了設備運行人員由手動操作轉變為監控，完全可以實現生產的無人操作，也就大大降低了勞動強度與維護費用。采用節電控制系統，通過調節電機轉速實現節能；轉速降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較以前減輕，維護周期、設備運行壽命延長。在使用節電系統過程中，只需定期對節電系統除塵，通電測試，大大減輕了維護工作。

節電系統實現電機軟啟動，無電流沖擊，無電網壓降，有效降低電機啟動對同網其他設備影響，同時與其他方式相比，降低電氣網絡設備的容量要求：降低變壓器、電氣保護開關、裝置、電纜等設備需求容量，投資成本下降。該系統基于可靠的自動控制系統，無需定期更換電氣元器件，正常情況下只需定期對相關電氣控制柜清理除塵即可，維護成本低［3-8］。

4 節能控制系統

如圖2所示節能主控制器主要通過人機界面來讀取狀態實時數據、查詢各具體參數、以及對各相關參數進行修改。柜門聯鎖故障、變壓器溫度報警、負載欠載、個別單元旁路等發生故障時，節電器面板上的故障指示燈就會亮，輕故障繼電器動作工作，人機界面的面板上就可以查到故障點的具體信息。當輕故障存在報警時，如果故障點自動消失的話，報警系統就自動取消，故障指示燈就自動熄滅，輕故障是可以不需要復位的，但是有些單元旁路出現輕故障時，節電器就會自動降頻率運行，這樣就對生產、設備產生影響，這種情況下就得復位解決。多個單元旁路、輸入缺項、變壓器過熱跳閘、電機過載、電機過流、外部緊急停車跳閘、系統故障、閉環運行時反饋電流信號掉線等故障點發生時，節電器面板上的故障指示燈就會亮，重故障繼電器動作工作，節電器停止運行，對高壓分斷發出指令，人機界面的面板上就可以查到故障點的具體信息。重故障一旦發生，故障指示燈、高壓分斷等相關指令也一直存在，哪怕此時故障點自行消失，這種情況下只有故障點被徹底解決，并且還得通過人機界面的“RESET”或者控制面板上的重故障復位按鈕進行復位。節電器具有相當高的智能化水平與完善的故障檢測電路，并能對故障定位。

圖2 SO2風機節能控制系統圖

5 節能系統改造

5.1 電氣控制系統改造

根據現場的生產工藝要求，改造一期SO2風機，根據現場的負載情況，選配適合相關系列高壓節電設備及智能監控系統。該系統得具有設計余量大、過載能力強、操作方便、強大的電機風機參數運行記錄功能、安全可靠的檢測系統功能、對系統過載過流等及時作出判斷并保護、確保系統穩定安全可靠運行、質量優質等特點。同時還得保留現有水阻軟啟動方式，才能為一期SO2風機的可靠運行提供更加完備的保證。

圖3中高壓電源、QF斷路器柜、水阻柜及電機為原有，新增1套智能控制柜，1套一拖一手動旁路柜（含QS1、QS2），1套高壓節電控制系統。目前一期SO2風機啟動方式為水電阻啟動，在改造過程中，需對現有水阻柜進行相應電氣改造，以實現一期SO2風機電機節能/工頻模式均能正常工作，相互不干擾；節能運行時，QS2閉合至QS22位置，水阻柜中旁路接觸器及星點柜需自動合閘，此時節電系統輸出直接通過水阻柜旁路直接拖動電機運行；當節電系統發生故障時，QS2閉合至QS21位置，水阻柜中旁路接觸器及星點柜需自動分閘，恢復至現有水阻啟動狀態，電機可由現有水阻系統控制啟動，保持生產持續性。

圖3 SO2風機一次原理圖

結合現場實際情況，在增加節電控制系統的同時，還需敷設2根主動力電纜，一根由現有高壓開關至節電控制系統，另外一根由節電控制系統敷設至現有水阻柜進線處，拆除現有開關柜到現有水阻柜的高壓連接電纜；敷設2根控制電纜，一根由節電控制系統至現有DCS控制柜中，另一根控制電纜從節電控制系統至現有水阻柜中。

5.2 冷卻系統

根據現場勘察，現場環境中的SO2腐蝕性氣體濃度較高，對金屬設備腐蝕嚴重從而造成設備損壞。為了設備長期穩定的運行和設備的較長使用壽命，此次改造過程中，將節電系統設備安裝于密閉房間內，使用空調散熱，暫配置2臺5P制冷空調，以減少設備與外界腐蝕氣體直接接觸，延長設備使用壽命。室內空調冷卻形式要求房間密閉，制冷效果好，能保持室內良好的清潔環境，為提高節電器運行穩定性、延長使用壽命提供優質保障。

表1 50Hz狀態與46Hz狀態下電能數據表

5.3 節能狀況

如表1所示，根據“智能節電監控系統控制屏節能電表電量累記”的數據，分別在50Hz正常運行下和46Hz正常狀態運行下對其中連續4天在同一時間點的電量進行了如下記錄，表中第1天、第2天、第3天、第4天對應的數據為該頻率狀態下當時的總累計電量值，所以用第4天的值減去第1天的值為該狀態下的3天總能耗，50Hz狀態下3天共耗能51498kW·h，46Hz狀態下3天共耗能44536kW·h，通過數據可以看出46Hz正常運行狀態下運行比在工頻狀態下運行每小時少耗電能96.69kW·h。

6 結語

使用節能裝置后，中控工操作相對簡單多了，可通過調整風機頻率來對系統負荷進行調整，省去頻繁聯系現場崗位工開風機入口閥，減少了現場崗位工的工作強度；對系統突發情況如焙燒下料口倒煙等，可通過中控調節SO2風機頻率來控制負荷，比改造前調整的更及時、迅速、方便。對于設備而言，原先采用軟起水阻啟動，開停對電流沖擊大、電能損耗大、電網沖擊大、無功消耗大；改造后，有利于保護設備，提高設備的使用壽命，降低開車時對電網的沖擊，穩定系統開車。

節能改造后，對SO2風機在工頻運行和46Hz運行下進行對比、計算，兩種頻率運行下從記錄數據上看電量下降了，正常情況下每小時節約電能96.69kW·h，其他數據正常。SO2風機節能控制系統還未出現過紕漏，這也證明了一期SO2風機節能控制設計的合理性、安全性和可靠性，因此我們在今后的節能改造設計中，可以借鑒此類設計思路。