銅冶煉制酸SO2風機高壓變頻調速節能改造實踐

李成學 王立平

(云南錫業股份有限公司銅業分公司， 云南 蒙自 661019)

0 前言

云錫10萬t/a銅冶煉項目于2012年3月建成投產。項目主工藝流程采用領先世界的“頂吹熔煉-頂吹吹煉-陽極爐精煉-永久不銹鋼陰極工藝電解精煉”，其煙氣制酸系統采用兩轉兩吸工藝。項目投產后，年產電解銅10萬t，硫酸44萬t。制酸SO2風機是整個煙氣制酸系統的最關鍵設備。本文分析了制酸SO2風機存在的問題，基于變頻調速原理對制酸SO2風機進行了節能改造。

1 制酸SO2風機改造前存在問題

1.1 硫酸SO2風機型號及規格

考慮到系統的安全穩定運行以及生產波動的需要，煙氣制酸系統配置了一臺西門子(STE)離心風機，即KK&K風機。該風機為單級壓縮，垂直剖分結構，運行方式為工頻軟啟動運行，由恒速電機通過增速齒輪箱驅動，風量的調節通過前導向葉片的調節(IGV) 來實現。制酸SO2風機型號及規格見表1。

表1 制酸SO2風機型號及規格

1.2 設計工況

煙氣制酸系統接收由銅冶煉熔煉爐、吹煉爐和沉降電爐匯集而來的高濃度SO2煙氣。在風機選型中充分考慮了系統擴產的需要以及經濟性和合理性，選擇了比適應10萬t/a銅規模稍大的風量和風壓(放大設計余量約15%)。當銅產量擴到15萬t/a時，風機滿負荷運行，完全可以適應煙氣條件的變化，轉化系統幾乎不用做改造，就可以過渡到15萬t/a的生產規模。制酸SO2風機設計工況見表2。

1.3 實際工況

目前，在10萬t/a銅規模下，因雙頂吹煉銅工藝各種復雜工況下的煙氣量變化，煙氣制酸系統總煙氣量發生波動，雙頂吹煉銅工藝實際工況見表3。從表3可以看出，實際生產中，某個時刻可能只開一個爐子(有煙氣)，或同時開兩個爐子(有煙氣)，也可能是兩個爐子都不開(無煙氣)。因此雙頂吹煉銅工藝為后續煙氣制酸系統生產提供的高濃度SO2煙氣是不均衡的。

表3 雙頂吹煉銅工藝實際工況

實際生產運行中，制酸SO2風機存在以下問題：1)風機效率低，運行偏離最佳工況點；2)啟動對電機和電網沖擊大，故障率高；3)前導向葉片節流調節能耗損失大；4)煙氣制酸系統生產工藝要求每當制酸SO2風機有較長時間的停機后，再次啟動風機，轉化器必須要有96～120 h的升溫時間，才能把溫度升高到420 ℃左右，滿足銅冶煉煙氣制酸的條件。此時要求的風量較小，風壓較低(打開升溫副線閥抽氣，系統沒有銅冶煉煙氣)。由此可見，煙氣制酸系統生產過程中，存在著較大的節能空間。若采用變頻調速的控制方式來調整制酸SO2風機的轉速，則可以根據不同工況下的制酸煙氣量和壓力，調整風機的轉速。

2 制酸SO2風機改造方案

2.1 變頻調速原理

異步電機的轉速[1]由式(1)決定。

(1)

式中：n——轉速，r/min；

f——電源頻率，Hz；

S——轉差率；

p——電機極對數。

由式(1)可知，轉速與電源頻率成正比，即改變電源頻率就可改變轉速。根據這一原理，用變頻器作為變頻電源來調節電機的轉速。變頻調速不存在勵磁滑差損耗和前導向葉片節流功率損耗，也不存在轉差損耗，因此節能效果良好，而且電機調速范圍大，可在0%～100%范圍內改變轉速，實現無級調速。此外，采用變頻調速對制酸SO2風機進行改造，無需更換電機，控制方式更加靈活。

2.2 變頻調速節能原理

根據流體機械相似性原理，流體流量和轉速的一次方成正比，壓力和轉速的平方成正比，所需軸功率則和轉速的立方成正比[1-2]，即：

(2)

(3)

(4)

式中：Q1、Q2——流量，m3/min；

p1、p2——壓力，Pa；

N1、N2——功率，kW；

n1、n2——轉速,r/min。

因此，當煙氣制酸系統生產工藝減少煙氣流量時，調小轉速可使軸功率降低很多，從而可以節約大量的電能。

2.3 變頻調速方案確定

根據現場實際運行要求，以產品功能完善、運行安全可靠為原則，制酸SO2風機高壓變頻調速節能改造選用北京利德華福一臺額定功率6 000 kW、額定電壓10 kV的高壓變頻器，采用“一拖一手動旁路”結構。高壓變頻器采用DCS“遠程”控制方式，從制酸主控室DCS系統畫面設定電機頻率，通過變頻器內置PID調節模塊對電機轉速形成自動控制。當電機的負荷變化時，可以方便地通過改變電機的供電頻率控制電機轉速，最后達到控制風機風量，使制酸SO2風機流量保持在設定值的目的。風機變頻調速接線方式如圖1所示。

QF-高壓配電柜；QS1、QS2、QS3、QS4-高壓隔離開關圖1 制酸SO2風機變頻調速系統一次接線方案

風機變頻調速系統由高壓配電柜、高壓變頻器、高壓隔離開關、電機組成。高壓隔離開關帶電部分安裝在旁路柜內，保證任何物體和人員不會因意外而觸電。高壓隔離開關QS2、QS4不能同時閉合，在機械和電氣上實現互鎖；高壓隔離開關QS1、QS3也有機械和電氣互鎖。變頻器退出運行(故障或檢修)時，通過手動方式使隔離開關作相應操作，將電機負載轉入工頻電網，切開變頻調速系統，恢復原來的工頻運行方式[3-4]。

為了實現對變頻器的保護，變頻器對現場高壓配電柜進行連鎖，一旦變頻器出現重故障，變頻器發出命令，跳開高壓配電柜。電機工頻運行時，變頻器撤消對高壓配電柜的跳閘信號，使電機能正常通過高壓配電柜合閘進行工頻軟啟動。

3 改造后效果

3.1 安裝調試

2017年年度停產檢修期間，對制酸SO2風機高壓變頻調速控制系統進行了改造安裝。安裝完畢后進行了一系列的調試試驗，運行數據見表4。

表4 高壓變頻器節能效果運行數據

從表4可以看出，改造后的變頻調速風機具有較好的節能效果，特別在風機低流量時，節能效果更明顯。根據2017年5月26日至6月12日正式帶煙氣負載以來的數據分析(經改造安裝的電能表計數統計)，制酸SO2風機共運行408 h，已經節約電能382 312 kW·h，節電率高達29.38%。若按照一個月的節電數據來平均，節電率將有所下降，但保守估計，15%左右的節電率是有保證的。除此之外，由于變頻器的投入，風機10 kV電源支線的功率因數從0.9提高到0.98，減少了該支路的無功損耗，節能效果較好。

3.2 正常運行

調試試驗完成后，制酸SO2風機高壓變頻調速控制系統正式投用。經過兩年多的生產實踐應用，設備性能穩定可靠，節能效果顯著，達到了預期的效果。制酸SO2風機高壓變頻調速控制系統滿足雙頂吹煉銅工藝的生產實際要求，具有以下優點：1)效率提高，能耗降低；2)降低啟動對電機和電網的沖擊，故障率低；3)動態響應速度快，調節線性度好。

經統計，制酸SO2風機采用變頻調速控制運行，年節電量為4 260 000 kW·h，電價按0.36元/kW·h計算，年節電費為4 260 000×0.36=153.36萬元。由此可見，采用變頻調速控制系統，不僅解決了原來制酸SO2風機運行中存在的問題，而且降低了生產成本。

4 結束語

云錫10萬t/a銅冶煉項目制酸SO2風機高壓變頻調速節能改造，經過兩年多的生產實踐應用，設備性能穩定可靠，節能效果顯著，年節電量4 260 000 kW·h，年創經濟效益150萬元以上。制酸SO2風機高壓變頻調速節能改造滿足云錫銅業分公司雙頂吹煉銅工藝的生產實際要求，取得了較好的節能效果。