產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在燒結配料除塵風機上的應用
1 改造前狀況
首鋼水城鋼鐵集團有一臺配料除塵風機，拖動電機功率為10kV/500kW，原風機采用進、出口風門擋板來進行風門的調節以控制流量，在調節風門時，很多電能白白浪費，并對機械設備的性能有很大損害。風機運行時噪音較大，不利于環境保護。變頻調速技術是現代電氣傳動的主要發展方向之一，它不僅調速性能優越，而且節能效果良好。目前，我國大型配套風機主要采用進、出口風門擋板、進口軸向導流器、進口靜葉調節器等方法進行風門的調節以控制流量，其缺點是節流損失大，增加風機的功率消耗，系統震動大、噪聲大、對環境造成惡劣的影響，同時調節閥門有時處于很高壓力下工作，容易磨損和損壞。由于定速風機啟動轉矩配置的電動機容量比風機的額定容量大很多，在低負荷區，電動機工作效率很低，能源浪費嚴重。所以對除塵風機進行變頻調速和增加保護功能，通過對高壓變頻調速技術的研究，擬定使用該調速系統來進行調速控制，取代傳統的擋風板、節流閥來控制風量和流量，以求達到理想的實用效果。
2變頻調速的節能原理
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一種頻率的電能控制裝置。變頻器主要用于交流電動機（異步電機或同步電機）轉速的調節，是國際公認的交流電機最理想、最有前途的調速方案。
異步電動機的變頻調速在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機最為合理的調速方法。
由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前，變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
高壓變頻調速具有如下顯著的優點：
（1）由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻改造后不再有節流損失。
（2）網側功率因數明顯提高。
（3）可實現零轉速啟動，避免啟動沖擊電流，減輕了沖擊扭振。
（4）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。
對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3
當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節電為：
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW·h)
式中： n是額定轉速，n′是實際轉速，P是額定轉速時電機功率，T是工作時間。
可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
3現場設備情況
首鋼水城鋼鐵集團燒結配料除塵風機電機現場如圖1所示。參數如表1、表2所示。
圖1 配料除塵風機現場照片
表1 燒結配料除塵風機電機參數 | ||||
電機型號 | 額定功率 | 額定電壓 | 額定電流 | 額定轉速 |
YKKVP450-6-6 | 500kW | 10kV | 37A | 990r/min |
表2 燒結配料除塵風機參數 | ||||
風機型號 | 電機功率 | 流量 | 全壓 | 主抽轉速 |
離心風機 | 500kW | 245000m3/h | 5000Pa | 960r/min |
為了節能降耗，提高風機的調節性能，在2021年節能改造中，首鋼水城鋼鐵集團領導決定采用新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP38-710F變頻調速器在該配料除塵風機上實施改造，改造達到了預期目的。
4風光JD-BP38系列高壓變頻系統技術特點
風光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號，新風光公司是國家高新技術企業，生產的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度傳感器矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
4.1 JD-BP38-710F高壓變頻器技術指標
JD-BP38-710F高壓變頻器技術指標如表3所示。
表3 JD-BP38-710F 高壓變頻器主要技術指標 | |||
變頻器容量（kW） | 710 | 模擬量輸入 | 0～5V/4～20mA，任意設定 |
適配電機功率（kW） | 710 | 模擬量輸出 | 兩路0～5V/4～20mA可選 |
額定輸出電流（A） | 51.2 | 加減速時間 | 1～6000s |
輸入頻率（Hz） | 45～55 | 開關量輸入輸出 | 可按用戶要求擴展 |
額定輸入電壓（V） | 10000V（－20%～+15%） | 運行環境溫度 | -10～40℃ |
輸入功率因數 | >0.95（>20%負載） | 貯存/運輸溫度 | -20～70℃ |
變頻器效率 | 額定負載下>0.98 | 冷卻方式 | 強迫風冷 |
輸出頻率范圍（Hz） | 0～120 | 環境濕度 | <90%，無凝結 |
輸出變頻分辨率（Hz） | 0.01 | 安裝海拔高度 | <1000m，高海拔降額使用 |
過載能力 | 105%連續，120% 允許1min | 防護等級 | IP20 |
4.2 JD-BP38-710F高壓變頻器技術特點
具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
(1)高性能矢量控制，啟動轉矩大，轉矩動態響應快，調速精度高，帶負載能力強，提高設備運行的平穩性；
(2)振蕩抑制技術，采用優越的電流算法，有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統穩定可靠的工作；
(3)快速飛車啟動技術，特別適用于（如水泥廠高溫風機）變頻保護后的重新啟動，可實現變頻器在0.1s之內從保護狀態復位重新帶載運行；
(4)電網瞬時掉電重啟技術，電網瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間；
(5)線電壓自動均衡技術。變頻器某相有單元故障后，可保證最大的線電壓均衡輸出；
(6)工、變頻無擾切換技術，該技術可滿足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動的需要；可以實現大容量電機雙向無擾動投切，能有效保證生產的正常進行；
(7)輸出電壓自動穩壓技術，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據母線電壓調整輸出電壓，從而實現自動穩壓功能；
(8)故障單元熱復位技術，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機；
(9)多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協議，頻率設定可以現場給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能；
(10)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握；
(11)單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍；
(12)具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生；
(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數；
(14)故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續運行。
5改造系統方案介紹
燒結配料除塵風機目前的控制方式主要根據生產工藝需求風量的大小，通過高壓變頻器實時調整風機電機頻率來實現調節風機風量。采用變頻器后保持進擋板全開，系統可隨時隨意改變送風量以適應變化，保持風機的高效運行。
通過目前已有的DCS系統調節變頻器頻率來調節風機風量。利用DCS對變頻器進行啟動、停機、調速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態，實時監控系統運行。操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。變頻器內置PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(如RS485)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。利用高壓變頻器根據實際需要對配料除塵風機進行變負荷運行，既保證和改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。
此外，為了保證系統的可靠性燒結除塵風機現有的控制設備和運行方式仍將保留，控制回路上設計工頻/變頻運行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實現配料除塵風機在工頻或變頻運行。
6 高壓變頻器技術要求及改造方案
6.1高壓變頻器主回路控制方案
根據現場要求，配料除塵風機采用“一拖一”運行方式，配置手動旁路柜，其一次電路如圖2所示。
圖2 手動旁路柜
系統10kV高壓開關柜至風光高壓變頻器，風光高壓變頻器與電機相連，通過調節電機的轉速來調節風量，電機與風機間不用做任何改動，且變頻調節時風門檔板可全開。
圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。
6.2高壓變頻器控制邏輯
圖3變頻器控制邏輯示意圖
變頻器控制邏輯示意圖如圖3所示，利用DCS控制系統的預留點，設計高壓變頻控制、運行監視系統，系統包括工、變頻的運行、停止命令按鈕；轉速調節按鈕；變頻器復位按鈕、緊急停止按鈕；變頻器運行電流、電機轉速顯示；高壓柜以及變頻合閘顯示；變頻器故障報警顯示。
DCS系統輸出 4~20mA電流信號控制JD-BP38高壓變頻調速系統的運行頻率， 來控制電機的運行轉速。JD-BP38高壓變頻調速系統反饋4~20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調速系統的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調速系統同時接收DCS控制系統的啟動、停止、急停、復位控制信號，調整運行狀態。
當JD-BP38高壓變頻調速系統故障時，系統輸出故障停機和報警信息，用于提示用戶啟動故障處理措施，同時JD-BP38高壓變頻調速系統將信號發送給DCS，在DCS系統上顯示故障，以便于及時的排除故障。如果系統出現緊急情況，DCS監視人員立即點擊變頻器緊急停止按鈕，此時變頻器立即封鎖輸出，并及時跳開高壓斷路器開關。
為保證JD-BP38高壓變頻調速系統操作的安全性，需從改造電機的進線開關柜把斷路器的狀態信號接入JD-BP38高壓變頻調速系統。JD-BP38高壓變頻調速系統輸出的故障跳閘信號接入斷路器的分閘回路，連跳高壓信號接入安全回路，當出現嚴重故障時及時跳開斷路器，保護JD-BP38高壓變頻調速系統及電機。
當所有開機條件都具備后，DCS發出變頻運行命令，變頻器內置PLC發出“合閘”信號至10kV高壓柜，高壓斷路器開關合閘，變頻器進行軟充電，5S后充電完成，變頻器處于就緒狀態，由DCS給出4~20mA信號控制變頻器頻率來改變電機轉速。
7 變頻改造后運行情況
7.1節能效果
2021年8月下旬，新風光公司高壓變頻器正式投入生產，系統達到了預期的效果。配料除塵風機監控系統如圖4所示，高壓變頻器設備現場運行照片如圖5所示。
圖4 配料除塵風機監控系統界面
圖5 高壓變頻器現場運行照片
經過鋼廠能源利用監測中心測試，實施變頻改造后，風機電機運行電流下降明顯，設備實現了軟起動，設備運行噪聲大大降低，極大地減輕了設備起動時對供配電系統的沖擊。配料除塵風機高壓變頻器投入運行后，正常生產情況下，變頻運行狀態40Hz左右即可滿足生產需求，
變頻狀態運行數據，如表4所示。
表4 變頻運行數據統計 | |||
輸入電壓 | 10.44kV | 輸出電壓 | 8.05kV |
輸入電流 | 14.7A | 輸出電流 | 23.4A |
功率因數 | 0.96 | 變頻功率 | 255.17kW |
風門開度 | 100% | ||
工頻時運行數據，如表5所示。
表5 工頻運行數據統計 | |||
輸入電壓 | 10.44kV | 功率因數 | 0.70 |
輸入電流 | 30.8A | 變頻功率 | 389.85kW |
風門開度 | 40% | ||
節電率=（389.85kW-255.17kW）/389.85kW=34.54%
配料除塵風機每天24h運行，一年運行330天，變頻改造后，一年節省電量計算如下：（389.85kW-255.17kW）×24h×330d=106.67萬kW?h按0.5元/kW?h計算，每年節省電費為：106.67萬kW?h×0.5元/kW?h=53.33萬元。
7.2 其他收益
除此之外，在燒結配料除塵風機系統中應用變頻調速裝置后，延長了電機和設備的使用壽命。燒結的配料除塵風機均為大容量的離心式風機，啟動時間長，啟動電流大，對電機和風機機械沖擊大，嚴重影響其使用壽命。而采用變頻調速裝置后，可以實現軟啟動和軟停止，減少了檢修維護開支，節約了大量維護費用。
8結束語
目前，國內冶金行業普遍存在的問題是電耗、煤耗、水耗均同國際先進水平還有一定差距，隨著競爭的加劇，企業內部通過技術改造節能降耗是節能降耗工作的重點，作為鋼鐵生產主要耗能大戶之一的燒結配料除塵風機的節能是各鋼鐵廠重點考慮的問題。而高壓變頻器正好能夠滿足企業技改的迫切需求，是節能項目中大力推廣的產品。隨著高壓變頻器的性價比越來越高，為燒結配料除塵風機變頻調速節能改造提供了更廣闊的前景。
