摘要：為了節(jié)能降耗，包鋼集團公司固陽礦山有限公司球團分公司球團除塵風(fēng)機進行變頻改造，并對球團除塵風(fēng)機變頻改造的運行數(shù)據(jù)進行分析計算，球團分公司風(fēng)機設(shè)備采用變頻技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器球團除塵風(fēng)機調(diào)速節(jié)能

1前言

   隨著環(huán)境保護要求的進一步提高，企業(yè)如何在保護環(huán)境的前提下，最大程度地節(jié)能降耗以降低成本提升競爭力成為一個課題。在冶金行業(yè)，除塵風(fēng)機是能耗較大的設(shè)備，傳統(tǒng)的風(fēng)機風(fēng)量控制都是通過進風(fēng)擋板調(diào)節(jié)風(fēng)門大小來實現(xiàn)的。大部分的能量都被消耗在擋板上，而采用擋板控制，風(fēng)機風(fēng)量約為額定風(fēng)量的一部分，風(fēng)機遠離額定點運行，實際運行效率很低。而通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)量是風(fēng)機節(jié)能的最佳方案，一直以來，人們都在積極地尋求更為科學(xué)的調(diào)速方案來調(diào)節(jié)風(fēng)機，以達到節(jié)能降耗的目的。

2改造設(shè)備基本情況

   包鋼集團公司固陽礦山有限公司球團除塵風(fēng)機，選用一臺Y4-73NO29.5F離心風(fēng)機，配用電機型號為：YKK710--8（10kV），功率：1250kW，n=745r/min，額定電流：88A。工作性質(zhì)是連續(xù)運行，現(xiàn)采用進風(fēng)擋板來進行風(fēng)門的調(diào)節(jié)以控制風(fēng)量，根據(jù)工況要求，擋板開度一般保持在65%左右，工況變化，風(fēng)門開度對應(yīng)調(diào)整。擋板調(diào)節(jié)浪費了很多電能，并對機械設(shè)備的性能有很大的損害，有進行改造的必要。

   圖1所示為除塵風(fēng)機性能曲線示意圖，該風(fēng)機采用進口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)風(fēng)量，圖中0o為調(diào)節(jié)門全開位置，負值為調(diào)節(jié)門向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動的角度；圖中虛線為等效率線。離心式風(fēng)機的最高效率在進口調(diào)節(jié)門的最大開度處，等效率線和鍋爐阻力曲線接近垂直，效率沿阻力線迅速下降。

   圖2列出了風(fēng)機采用多種調(diào)節(jié)方法的功率消耗效果曲線，從中可以看出，風(fēng)機在變工況運行中，調(diào)節(jié)深度愈大，節(jié)能效果愈顯著，電機耗用功率越接近理想曲線，就越節(jié)能。在這里只有變頻調(diào)速曲線最接近理想曲線，其運行能耗最低，節(jié)能效果最佳。另外，由于變頻調(diào)速方式在頻率范圍、動態(tài)響應(yīng)、低頻轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差補償、功率因數(shù)、工作效率等方面的優(yōu)勢也是傳統(tǒng)的交流調(diào)速方式所無法比擬的，因此風(fēng)機采用變頻調(diào)速節(jié)能是現(xiàn)今調(diào)速方式的最佳選擇。

3風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能原理

   變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f(1-s)/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；變頻器通過改變電動機工作電源頻率f達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。

異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)流體力學(xué)相似定律：Q1/Q2＝n1/n2輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；

H1/H2＝(n1/n2)2輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；

P1/P2＝(n1/n2)3輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。

  當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會使大量電能白白消耗在擋板上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨風(fēng)量的減小大幅度下降?？梢?，通過變頻對風(fēng)機進行控制，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。

  高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀九十年代迅速發(fā)展起來的交流電動機的調(diào)速技術(shù)，其技術(shù)和性能勝過其它任何一種調(diào)速方式。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益、高精確的調(diào)速精度、寬范圍的調(diào)速、完善的電力電子保護功能，以及易于實現(xiàn)的自動通信功能，得到了廣大用戶的認可和市場的認可，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的便利和快捷的服務(wù)，使之成為企業(yè)采用電機節(jié)能方式的首選方案。

   隨著國產(chǎn)高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，使得這一技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，考慮目前國內(nèi)的此類產(chǎn)品技術(shù)也比較成熟，關(guān)鍵元器件也是選用國外知名產(chǎn)品，且在價格、售后服務(wù)與技術(shù)支持等方面更具有優(yōu)越性，經(jīng)過多方調(diào)研、比較，包鋼集團固陽礦山有限公司領(lǐng)導(dǎo)最終選擇了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1250F型（1250kW/10kV）高壓變頻器對燒結(jié)除塵風(fēng)機進行改造。

4球團除塵風(fēng)機變頻改造控制方案

   球團除塵風(fēng)機目前的控制方式主要根據(jù)除塵風(fēng)量的需求，通過高壓變頻器實時調(diào)整風(fēng)機電機頻率來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量。采用變頻器后保持進擋板全開，根據(jù)生產(chǎn)需要人工操作調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)可隨時隨意改變送風(fēng)量以適應(yīng)變化，保持風(fēng)機的高效運行。

   通過目前已有的DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻器頻率來調(diào)節(jié)除塵風(fēng)機風(fēng)量。利用DCS對變頻器進行啟動、停機、調(diào)速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，實時監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)的安全性能。變頻器包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS485)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴展控制開關(guān)量，增強了系統(tǒng)的靈活性。利用高壓變頻器根據(jù)實際需要對除塵風(fēng)機進行變負荷運行，既保證和改善了工藝，又達到節(jié)能降耗的目的和效果。

   此外，為了保證系統(tǒng)的可靠性，除塵風(fēng)機現(xiàn)有的控制設(shè)備和運行方式仍將保留，控制回路上設(shè)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(xiàn)除塵風(fēng)機在工頻或變頻運行。

5風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻器技術(shù)特點

   風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，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(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)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。風(fēng)光高壓變頻器被評為中國名牌產(chǎn)品。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。

(2)矢量控制技術(shù)，通過測量和控制交流電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對交流電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制交流電動機轉(zhuǎn)矩的目的。啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負載能力強。

(3)快速飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。在變頻器受到負載沖擊保護后可對其自動復(fù)位，然后再自動啟動，即可避免重要場合（如水泥廠高溫風(fēng)機）變頻保護停機造成的損失?？焖亠w車啟動技術(shù)可實現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護狀態(tài)復(fù)位重新帶載運行。

(4)工頻/變頻無擾切換技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運行的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運行造成任何影響。

(5)電網(wǎng)瞬時掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間。

(6)線電壓自動均衡技術(shù)（星點漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

(7)振蕩抑制技術(shù)，電機輕載或者空載的時候會出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時電流幅值波動很大，電流的振蕩有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)因為過流或過壓而觸發(fā)保護。新風(fēng)光公司采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。

(8)多機主從控制技術(shù)，變頻器具備主從控制功能，多臺變頻器之間可通過數(shù)據(jù)總線組成主從控制網(wǎng)絡(luò)。將其中的一臺設(shè)為主機，其他設(shè)為從機，主機實時采集各從機的狀態(tài)信息，同時發(fā)送給各從機頻率、轉(zhuǎn)矩指令，實現(xiàn)各臺變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術(shù)適用于皮帶機、摩擦式提升機等需要功率平衡控制的場合。

(9)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能。避免電網(wǎng)波動對輸出電壓的影響。

(10)故障單元熱復(fù)位技術(shù)，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續(xù)運行，此時可在運行中對故障單元進行復(fù)位，不必等變頻器停機。

（11）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運行維護人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。

（12）具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設(shè)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(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。

（13）限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)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(shù)。

（14）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(xié)議頻率設(shè)定可以現(xiàn)場給定、通訊給定等支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能。

6除塵風(fēng)機變頻改造主回路

為了最大限度地提高設(shè)備的利用率，使變頻發(fā)生故障時也能保證風(fēng)機的正常運行，從而保證生產(chǎn)。保留原有工頻液阻啟動系統(tǒng)，保留電機綜合保護裝置（工頻時投入）。采用一拖一手動工/變頻切換方案。在變頻器發(fā)生故障時，能手動切換到原來的工頻液阻啟動方式，保證除塵風(fēng)機繼續(xù)運行。系統(tǒng)手動旁路柜一次回路如圖3所示。

   旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，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(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時，利用液阻柜啟動電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)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(guān)與變頻器輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。為了實現(xiàn)變頻器故障的保護，變頻器對用戶開關(guān)DL進行連鎖，一旦變頻器故障，變頻器聯(lián)跳DL。工頻旁路時，變頻器應(yīng)允許DL合閘，撤消對DL的跳閘信號，使電機能正常通過DL合閘工頻啟動。

選擇變頻系統(tǒng)時，不投入液阻柜；只有選擇工頻狀態(tài)時液阻柜啟動才有效。

7變頻改造效果

包鋼集團公司固陽礦山有限公司球團除塵風(fēng)機正常生產(chǎn)時處于長期運行狀態(tài)，風(fēng)機入口擋板開度為65%左右，測量風(fēng)機實際風(fēng)量3478000m3/h，輸入電流65A左右，功率因數(shù)0.78，每小時消耗功率為878.1kW；變頻改造后，運行頻率為40.0Hz時可滿足相同工況除塵要求，輸入電流28.2A，功率因數(shù)0.96，每小時消耗功率為469.1kW。除塵風(fēng)機高壓變頻器現(xiàn)場運行照片如圖4所示。

圖4除塵風(fēng)機高壓變頻器現(xiàn)場運行照片

球團分公司為了考察變頻改造的節(jié)電效果，將其改造前后的對比數(shù)據(jù)如表1所示。

   由表1看出，電機運行電流大大降低，功率因數(shù)顯著提高，改造效果是明顯的。球團除塵風(fēng)機每天24h運行，一年運行330天，變頻改造后，一年節(jié)省電量計算如下：

（878.1kW-469.1kW）×24h×330d=323.928萬kW•h

按0.5元/kW•h計算，每年節(jié)省電費為：

323.928萬kW•h×0.5元/kW•h=161.964萬元。

8結(jié)束語

   包鋼集團公司固陽礦山有限公司球團分公司除塵風(fēng)機變頻改造后，不僅減少風(fēng)機啟動時對電網(wǎng)的沖擊，降低風(fēng)機工作的機械強度和磨損，延長風(fēng)機的使用壽命，設(shè)備運行噪聲大大降低，而且節(jié)能效果顯著。隨著國家“十三五”對節(jié)能減排工作重視程度越來越高，市場競爭的加劇，高壓變頻調(diào)速應(yīng)用會越來越普及。

參考文獻

[1]新風(fēng)光電子使用手冊[Z]新風(fēng)光電子科技股份有限公司

作者簡介

馬健凱，男，大學(xué)學(xué)歷，供電工程師，副部長，供職于包鋼集團谷陽礦山有限公司機動部。