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1 改造前狀況

首鋼水城鋼鐵集團(tuán)有一臺配料除塵風(fēng)機(jī)，拖動電機(jī)功率為10kV/500kW，原風(fēng)機(jī)采用進(jìn)、出口風(fēng)門擋板來進(jìn)行風(fēng)門的調(diào)節(jié)以控制流量，在調(diào)節(jié)風(fēng)門時，很多電能白白浪費(fèi)，并對機(jī)械設(shè)備的性能有很大損害。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時噪音較大，不利于環(huán)境保護(hù)。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電氣傳動的主要發(fā)展方向之一，它不僅調(diào)速性能優(yōu)越，而且節(jié)能效果良好。目前，我國大型配套風(fēng)機(jī)主要采用進(jìn)、出口風(fēng)門擋板、進(jìn)口軸向?qū)Я髌?、進(jìn)口靜葉調(diào)節(jié)器等方法進(jìn)行風(fēng)門的調(diào)節(jié)以控制流量，其缺點(diǎn)是節(jié)流損失大，增加風(fēng)機(jī)的功率消耗，系統(tǒng)震動大、噪聲大、對環(huán)境造成惡劣的影響，同時調(diào)節(jié)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(fēng)機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩配置的電動機(jī)容量比風(fēng)機(jī)的額定容量大很多，在低負(fù)荷區(qū)，電動機(jī)工作效率很低，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。所以對除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和增加保護(hù)功能，通過對高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究，擬定使用該調(diào)速系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)速控制，取代傳統(tǒng)的擋風(fēng)板、節(jié)流閥來控制風(fēng)量和流量，以求達(dá)到理想的實(shí)用效果。

2變頻調(diào)速的節(jié)能原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)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(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是國際公認(rèn)的交流電機(jī)最理想、最有前途的調(diào)速方案。

異步電動機(jī)的變頻調(diào)速在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動機(jī)最為合理的調(diào)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前，變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)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。

高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1）由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻改造后不再有節(jié)流損失。

（2）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高。

（3）可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)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(jī)效率在97％以上。

對離心式風(fēng)機(jī)而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；即：

Q₁/Q₂＝n₁/n₂，H₁/H₂＝(n₁/n₂)²，P₁/P₂＝(n₁/n₂)³

當(dāng)風(fēng)機(jī)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閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為：

E=〔1-( n′/n)³〕×P×T (kW·h)

式中： n是額定轉(zhuǎn)速，n′是實(shí)際轉(zhuǎn)速，P是額定轉(zhuǎn)速時電機(jī)功率，T是工作時間。

可見，通過變頻對風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，不但節(jié)能，而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。

3現(xiàn)場設(shè)備情況

首鋼水城鋼鐵集團(tuán)燒結(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)現(xiàn)場如圖1所示。參數(shù)如表1、表2所示。

圖1 配料除塵風(fēng)機(jī)現(xiàn)場照片

為了節(jié)能降耗，提高風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)性能，在2021年節(jié)能改造中，首鋼水城鋼鐵集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)決定采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-710F變頻調(diào)速器在該配料除塵風(fēng)機(jī)上實(shí)施改造，改造達(dá)到了預(yù)期目的。

4風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號，新風(fēng)光公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度傳感器矢量控制技術(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(biāo)遠(yuǎn)小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn)，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(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)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(jī)。

4.1 JD-BP38-710F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)

JD-BP38-710F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

4.2 JD-BP38-710F高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

具體來說，風(fēng)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(diǎn)：

(1)高性能矢量控制，啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)，提高設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性；

(2)振蕩抑制技術(shù)，采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制輕載電機(jī)電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作；

(3)快速飛車啟動技術(shù)，特別適用于（如水泥廠高溫風(fēng)機(jī)）變頻保護(hù)后的重新啟動，可實(shí)現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護(hù)狀態(tài)復(fù)位重新帶載運(yùn)行；

(4)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；

(5)線電壓自動均衡技術(shù)。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(shù)，該技術(shù)可滿足多電機(jī)綜合控制及大容量電機(jī)軟啟動的需要；可以實(shí)現(xiàn)大容量電機(jī)雙向無擾動投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行；

(7)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實(shí)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(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能；

(8)故障單元熱復(fù)位技術(shù)，若單元在運(yùn)行中故障，且變頻器對其旁路繼續(xù)運(yùn)行，此時可在運(yùn)行中對故障單元進(jìn)行復(fù)位，不必等變頻器停機(jī)；

(9)多種控制方式，可選擇本機(jī)控制、遠(yuǎn)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；

(10)單元直流電壓檢測：實(shí)時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)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(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對功率單元運(yùn)行狀況的全面把握；

(11)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍；

(12)具備突發(fā)相間短路保護(hù)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(hù)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(hù)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(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù)；

(14)故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變造成單元或是整機(jī)過電流保護(hù)時，可自動復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。

5改造系統(tǒng)方案介紹

燒結(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)目前的控制方式主要根據(jù)生產(chǎn)工藝需求風(fēng)量的大小，通過高壓變頻器實(shí)時調(diào)整風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量。采用變頻器后保持進(jìn)擋板全開，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(jī)的高效運(yùn)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)風(fēng)機(jī)風(fēng)量。利用DCS對變頻器進(jìn)行啟動、停機(jī)、調(diào)速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。操作方面，有遠(yuǎn)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。變頻器內(nèi)置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(kuò)展控制開關(guān)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對配料除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變負(fù)荷運(yùn)行，既保證和改善了工藝，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。

此外，為了保證系統(tǒng)的可靠性燒結(jié)除塵風(fēng)機(jī)現(xiàn)有的控制設(shè)備和運(yùn)行方式仍將保留，控制回路上設(shè)計(jì)工頻/變頻運(yùn)行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實(shí)現(xiàn)配料除塵風(fēng)機(jī)在工頻或變頻運(yùn)行。

6 高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案

6.1高壓變頻器主回路控制方案

根據(jù)現(xiàn)場要求，配料除塵風(fēng)機(jī)采用“一拖一”運(yùn)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(tǒng)10kV高壓開關(guān)柜至風(fēng)光高壓變頻器，風(fēng)光高壓變頻器與電機(jī)相連，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，電機(jī)與風(fēng)機(jī)間不用做任何改動，且變頻調(diào)節(jié)時風(fēng)門檔板可全開。

圖2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(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)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。

故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)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(tǒng)的預(yù)留點(diǎn)，設(shè)計(jì)高壓變頻控制、運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)包括工、變頻的運(yùn)行、停止命令按鈕；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)按鈕；變頻器復(fù)位按鈕、緊急停止按鈕；變頻器運(yùn)行電流、電機(jī)轉(zhuǎn)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(tǒng)輸出 4~20mA電流信號控制JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行頻率， 來控制電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋4~20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時接收DCS控制系統(tǒng)的啟動、停止、急停、復(fù)位控制信號，調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)輸出故障停機(jī)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(diào)速系統(tǒng)將信號發(fā)送給DCS，在DCS系統(tǒng)上顯示故障，以便于及時的排除故障。如果系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況，DCS監(jiān)視人員立即點(diǎn)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(guān)。

為保證JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)操作的安全性，需從改造電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)柜把斷路器的狀態(tài)信號接入JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)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(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時及時跳開斷路器，保護(hù)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及電機(jī)。

當(dāng)所有開機(jī)條件都具備后，DCS發(fā)出變頻運(yùn)行命令，變頻器內(nèi)置PLC發(fā)出“合閘”信號至10kV高壓柜，高壓斷路器開關(guān)合閘，變頻器進(jìn)行軟充電，5S后充電完成，變頻器處于就緒狀態(tài)，由DCS給出4~20mA信號控制變頻器頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

7 變頻改造后運(yùn)行情況

7.1節(jié)能效果

2021年8月下旬，新風(fēng)光公司高壓變頻器正式投入生產(chǎn)，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。配料除塵風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示，高壓變頻器設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行照片如圖5所示。

圖4 配料除塵風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面

圖5 高壓變頻器現(xiàn)場運(yùn)行照片

經(jīng)過鋼廠能源利用監(jiān)測中心測試，實(shí)施變頻改造后，風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行電流下降明顯，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了軟起動，設(shè)備運(yùn)行噪聲大大降低，極大地減輕了設(shè)備起動時對供配電系統(tǒng)的沖擊。配料除塵風(fēng)機(jī)高壓變頻器投入運(yùn)行后，正常生產(chǎn)情況下，變頻運(yùn)行狀態(tài)40Hz左右即可滿足生產(chǎn)需求，

變頻狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如表4所示。

工頻時運(yùn)行數(shù)據(jù)，如表5所示。

節(jié)電率=（389.85kW-255.17kW）/389.85kW=34.54%

配料除塵風(fēng)機(jī)每天24h運(yùn)行，一年運(yùn)行330天，變頻改造后，一年節(jié)省電量計(jì)算如下：（389.85kW-255.17kW）×24h×330d=106.67萬kW?h按0.5元/kW?h計(jì)算，每年節(jié)省電費(fèi)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(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速裝置后，延長了電機(jī)和設(shè)備的使用壽命。燒結(jié)的配料除塵風(fēng)機(jī)均為大容量的離心式風(fēng)機(jī)，啟動時間長，啟動電流大，對電機(jī)和風(fēng)機(jī)機(jī)械沖擊大，嚴(yán)重影響其使用壽命。而采用變頻調(diào)速裝置后，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動和軟停止，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約了大量維護(hù)費(fèi)用。

8結(jié)束語

目前，國內(nèi)冶金行業(yè)普遍存在的問題是電耗、煤耗、水耗均同國際先進(jìn)水平還有一定差距，隨著競爭的加劇，企業(yè)內(nèi)部通過技術(shù)改造節(jié)能降耗是節(jié)能降耗工作的重點(diǎn)，作為鋼鐵生產(chǎn)主要耗能大戶之一的燒結(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)的節(jié)能是各鋼鐵廠重點(diǎn)考慮的問題。而高壓變頻器正好能夠滿足企業(yè)技改的迫切需求，是節(jié)能項(xiàng)目中大力推廣的產(chǎn)品。隨著高壓變頻器的性價比越來越高，為燒結(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造提供了更廣闊的前景。