車間降溫_山東濰鋼團體煉鐵廠風機變頻改造工業自動化高壓變頻器

濰鋼煉鐵廠風機變頻器運行現場

         一、前言 

             濰鋼團體公司煉鐵廠現有4座高爐2條燒結生產線，高爐冶煉是連續不中斷作業，同時又是用電耗能大戶。隨著國家節能減排政策的出臺，為了節約能源減少污染排放，節能改造勢在必行。高壓交流變頻調速技術是90年代迅速發展起來的一種新型電力傳動調速技術，到我公司推廣節能設備的有多家公司，因此在高壓變頻器的選用上非常謹慎，2008年1月我廠采用北京合康億盛公司產的10kV和6kV變頻器用于交流電機的變頻調速，其技術和性能遠遠勝過以前采用的調速方式（如串級調速、液力耦合器調速、轉子水阻調速等）。我公司選用的合康高壓變頻器在煉鐵廠4號高爐熱風爐1＃助燃風機、爐前除塵風機、原料除塵風機、1＃2＃噴煤收塵風機、1＃燒結機尾除塵風機共6臺設備進行第一期節能改造，并在5月份陸續安裝調試完成，穩定運行至今。使我公司成為國產高壓變頻器的品牌基地。本文只論述3臺整理完數據的變頻器，其余3臺還在檢測中。

         二、工況簡述

             我公司4＃高爐熱風爐是為1300m3高爐配套的內頂燃式熱風爐，格子磚為蓄熱載體，以燃燒高爐煤氣為主，燃燒制度為兩燒一送，拱頂的溫度可達到1300℃，煙道溫度在規定的時間內達到300℃，為高爐送風的溫度為1100℃左右。助燃風機的作用是抽取大氣中的空氣，引進熱風爐中為其助燃。風機型號為9-28-14D,全壓40800－12000Pa，電機型號YKK450-4 10kV 400kW ,燒爐需用風量10萬m3/h  風壓：4kPa  換爐時6kPa，風機進風閥開度在30％，改造前通過調節風機進風閥開度和放散閥開度滿足工藝要求，在調整過程中輕易產生喘震現象，對設備危害性大，并且風機運行噪音大，電機低負載率功率因數低耗能大。

             高爐出鐵時會有大量的黃煙，并伴有廢氣和灰塵，4＃高爐是1300 m3，天天出11爐鐵水，每次大約50分鐘，間隔30分鐘，通過爐前除塵風機引出由布袋除塵進行處理。改造前通過調整液力耦合器轉速控制布袋除塵箱體壓差調整除塵效果，出鐵時高轉速，不出鐵時低轉速。為了保護電機設備，進風閥開度50％，設備利用率大大降低。

             為高爐生產所供的原料，進爐前需篩分，4＃高爐供料系統大小料倉18個，因篩分產生的揚塵點近百個。原料除塵風機的作用是把上料過程中產生的灰塵集中收集處理。改造前電機電流大溫度高風機進口閥開度只能在50％，限制了除塵效果。
我廠4＃高爐年產百萬噸以上，為節能減排，2008年5月首先對熱風爐助燃風機、爐前和原料除塵風機所配置的10kV400kW、10kV1120kW、10kV1000kW電機進行變頻改造，目前運行情況良好，而且調節簡單、省時省力，耗電量比改造前明顯減少。

         三、變頻前后耗電情況對比

             我廠于2008年5月起開始將高壓變頻器應用在4號高爐1＃助燃風機、爐前除塵風機、原料除塵風機的節能改造，目前高壓變頻運轉穩定，均勻節電率達到30%以上，取得了明顯的經濟效益。表一是我廠安裝高壓變頻前后數據對比。（注：其它3臺的數據還在檢測中）

表一 淮鋼團體煉鐵廠安裝高壓變頻前后數據對比

         四、可靠性

             經過對4號高爐爐前除塵原系統進行分析，對原系統的風壓、風量控制由原來的液力耦合器調節改為變頻器調節，由變頻器對電機本身進行調速，最后達到工況要求值。液力耦合器本身能耗達10%左右，而且需要油泵及冷卻水來輔助運行，故障率較高，維護本錢高，特別是在夏季因耦合器產生熱量較大，需加進四組冷油器，用循環水強降溫，水消耗量大，資源浪費嚴重。原料除塵系統沒有液力耦合器，只有進風閥。直接由變頻器對電機本身進行調速。變頻器設備接進用戶側高壓開關和擬改造電機之間，變頻器控制分為遠程和就地操縱。為了充分保證系統的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在變頻回路故障時將電機切換至工頻狀態下運行，且切換方式為手動切換。電機、高壓斷路保存了用戶原有設備。我們保存了原操縱系統，變頻器故障時，電機手動切換到工頻運行后，操縱工按照改造前的操縱達到工況要求。變頻器及其工頻旁路開關由變頻器整體配套提供。改造后操縱簡單，避免了因操縱失誤引發的事故。進風閥全開，減少風道的振動，通過變頻調速后啟動制動平穩，沒有大電流的波動，不對設備產生沖擊，延長使用壽命，降低了故障率。

 
爐前出鐵場除塵風機現場

             針對4高爐助燃風機特殊工藝要求：3座熱風爐兩燒一送，約2小時換爐一次，換爐操縱時間約10分鐘，這期間需要頻繁開關多個閥門，重要的是控制好風壓、風量。所以改造過程中現場操縱箱除保存緊急停機按鈕和必要的信號指示外，其余頻率給定、電流顯示、故障指示接進上位機通過PLC控制，進步了可靠性。進風閥全開，控制電機轉速滿足工藝要求，喘震現象完全消除，噪音降低改善了四周環境。
 

4號高爐助燃風機現場

         五、改造過程簡述

             為了展設電纜方便，根據我廠現場環境的實際情況，我們把助燃風機變頻柜安置在4＃高爐10kV開關站，在原料和出鐵場除塵高配室四周新建一變頻器專用房來安放出鐵場除塵變頻柜和原料除塵變頻柜。機旁操縱箱就安置在電機平臺下面，非常方便。為減小安裝本錢，動力電纜保存了原高壓柜至電機的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至變頻器，再重新由高壓柜到變頻器敷設一根動力電纜，由于變頻器房與高壓室間隔一段間隔，從變頻器到電機電纜需作一中間接頭。其余控制聯鎖信號電纜新放，這樣施工過程獨立，減少對接時間，工作量不大。

 
原料除塵風機現場

             由于現場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，設備內空氣流通量較大，為保障變頻器盡量少受外界灰塵的影響，在房間透風設計上，設計了大面積專用進風窗。透風窗采用專用過濾棉濾網，這樣使進進變頻器室內的空氣經過透風窗濾灰，進進變頻器室內的灰塵大大減少。由于使用的變頻器功率較大，為保證足夠的透風冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一整體風罩，與各自的出風口連成整體，保證變頻器整體冷卻透風要求，即使在夏季高溫季節也不需開空調進行降溫。
 

專門制作的風道

         六、變頻改造總結

             根據我廠對部分風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結變頻器改造有以下優點。
    1、安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插進安裝變頻器，對原有接線改動不大。
    2、操縱使用方便，變頻器操縱只有簡單的開機、停機和頻率調整。
    3、能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。
    4、保護功能完善，故障率低，排風機啟動平穩，啟動電流小，可靠性高。
    5、電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，解決了電機溫升高的題目，節電效果明顯。
    6、由于變頻器取代了液耦調速，消除了機械及液壓高故障率的缺陷，設備維護用度降低。
    7、電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。

       ,水簾廠家;      交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操縱使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、節電、軟啟動方面，對企業有很大的實用價值。合康公司高壓變頻器對我廠部分風機電機進行了成功的改造，節能效果明顯，進步了整個系統的工藝性能，得到車間負壓風機哪家好的好評，我們二期、三期的高壓變頻器改造正在計劃中。

         　　水泥企業是國民經濟生產中的能源消耗大戶，水泥行業已被列為國家節約資源的重點領域之一。在國務院提出加快建設節約型社會的政策環境下，進步水泥行業的節約型制造和應用水平，建立節約型水泥產業體系意義重大。在當前國內外能源供需矛盾突出的情況下，水泥行業必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經濟效益和最高的勞動生產率。水泥生產中電動機負載電耗就占本錢近30%，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，對一條水泥生產線，其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風機上，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。

         　　新疆伊犁南崗建材（團體）有限責任公司是以生產水泥、化工產品為主導的產業化團體。在2001年2月，經新疆兵團農四師批準，依法改制為伊犁南崗建材有限責任公司，由新疆伊力特實業股份有限公司、農四師73團、75團等11家單位共同投資在伊寧市邊境經濟合作區注冊成立。注冊資本1.73億元。目前，水泥年生產能力將達200萬噸。

         2.英威騰CHH系列高壓變頻器技術特點

         　　深圳市英威騰電氣股份有限公司，提供的CHH100系列變頻器除了具有一般廠家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點。

         　　1）具有較強的功能，能夠滿足不同工況

         　　CHH100系列高壓變頻器采用DSP系統與可編程系統巧妙的結合，控制系統高度集成化，設備器件主要采用進口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個功能碼，可以對啟動特性、運行模式等功能根據現場工況進行不同設定。CHH100系列高壓變頻用具有標準的RS485接口，可以通過RS485通訊接口（采用標準通訊協議）與DCS進行連接，也可以通過硬接線的方式與DCS系統進行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統很方便的對變頻調速系統進行監控。也可以進行不同參數設置，滿足現場其它各種不同工況。

         　　2）全面的保護功能

         　　CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護;主控系統采用DSP+PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸進電壓、輸進電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、過載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據現場不同的工況進行參數設定。內置雷擊過流保護裝置，有效進步設備保護功能和系統保護功能,濕簾冷風機，完全能夠保證電源及電機的安全運行。

         　　3）全面的參數記錄

         　　CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數過過程變量，包括每個模塊的溫度、母線電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過通訊上傳至DCS系統，異常時對變頻器的狀態都有全面的記錄，以便現場職員更正確、更快捷地解決題目。

         　　4）最大的電壓、電流冗余量設計

         　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長為首要設計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設計冗余量較高。

         　　5）電機轉速自動跟蹤功能

         　　CHH100系列高壓變頻器在主電源母線切換（10秒內）過程中，變頻器能夠自動跟蹤電機的轉速，當主電源恢復后變頻器自動運行起來，保證了機組安全可靠運行。

  ,水簾空調;       　　6）功率模塊自動旁路技術

         　　模塊自動旁路技術進步了系統的穩定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊自動旁路技術，可在1ms內旁路故障模塊，變頻器降額并可長期運行，等適當時候停機處理。

         　　7）良好的電壓波動適應能力

         　　CHH100系列高壓變頻器對電網電壓在±15%范圍內波動，變頻器能滿載輸出;電網電壓短時（30秒）下降至額定電壓的65%時，可繼續降額運行，不進行保護。

         　　8）最有效的電磁干擾解決方案

         　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器在模塊設計上，獨家采用后進線、前出線設計方案;結構方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，最有效保證變頻器的可靠運行。

         　　9）公道的散熱系統

         　　功率采用獨立的散熱風道，系統集中散熱的方式，散熱性能良好，滿載長時間運行溫升不超過25℃，良好的散熱系統可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長變頻裝置內部的器件使用壽命。

         　　10）模塊化設計

         　　CHH100系列變頻器，遵循模塊化設計理念，功率單元采用模塊化結構，各個相同的功率單元的結構、配置完全相同，可以非常方便的互換，從而利于生產的標準化，以及維修的標準化。

         　　11）最簡潔操縱、最快捷維護

         　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻用具有人性化的接口設計、界面簡潔清楚;操縱方便，采用抽屜式模塊設計，更換模塊僅需5分鐘;濾網更換方便、快捷。

         3.原來用液力耦合器缺陷：

         　　1.液力耦合器屬于一種機械調速設備。液力耦合器的原理決定了液力耦合器有5-8%的速度損失。同時功率損失變為熱量，使液壓油溫過高。需要大量冷卻水冷卻液壓油。

         　　2. 在實際運行中油溫高于95℃以上，使冷卻器的水易結垢堵塞，造成故障。

         　　3. 由于液力耦合器是用液壓油傳遞功率，因此速度控制不穩定、功率因數低、調速精度差。

         　　4. 液力耦合器整機效率低，功率因數低，調速精度差，調速本身的損耗大、維護量大、二次本錢過高，所以節能效果不明顯。

         4.窯尾窯尾高溫風機系統簡介

         　　新疆伊犁南崗建材（團體）有限責任公司水泥廠生產線為干法懸窯，其窯燒成系統流程簡圖如圖1所示：

圖1 窯燒成系統流程簡圖

         　　從預熱器來的生料從窯尾進進到窯中，借助窯的轉動來促進生料在旋窯內高溫下混合、煅燒，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉動在窯內向前運動。窯內燃燒產生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進進窯尾前的生料進行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風機抽出進進廢氣處理（除塵及排出）。

         5.窯尾高溫風機改造過程簡述

         　　近兩年，高壓變頻器發展迅猛，涌現出生產高壓變頻器的大小廠數十家。但是，各廠家的主拓撲結構都相差無幾。通過各種途徑的考察與比較，新疆伊犁南崗建材團體終極選擇深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發、生產的多單元串聯的高─高形式的CHH100系列高壓變頻器， 在2008年11月在該項水泥廠的其中一條3#生產線的窯尾高溫風機安裝高壓變頻器, 進行變頻節能改造，都取得良好的節能效果，下面對改造情況作一簡單介紹。

         　　1.為減小安裝本錢，動力電纜保存了原高壓柜至電機的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至高壓變頻器，再重新由高壓柜到高壓變頻器敷設一根動力電纜，由于高壓變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。

         　　2.高壓變頻用具有遠程和本機控制功能。本機控制時通過高壓變頻器控制柜上觸摸屏可就地人工啟動、停止高壓變頻器，可以調整電機轉速、頻率。遠程控制放在控制室，設有操縱臺和上位機，由配電工操縱控制。通過上位機配電工可以隨時了解設備的運行情況，通過操縱臺可實現對高壓變頻器進行簡單的遠方操縱。配電工可以根據工況自由選定高壓變頻器“手動/自動”調速運行。

         　　3.系統要求控制的壓力值由手操器給定（4～20mA電流信號），母管壓力反饋信號經壓力變送器檢測后，再由DCS供給。壓力比較和PID運算均由DCS完成，其變換出來信號作為變頻器給定信號，以控制電動機轉速，使管網的壓力穩定在壓力設定值上，達到自動跟蹤管網壓力的目的。同時，通過變頻器的模擬量輸出接口將管網壓力、實際電壓、電流、頻率反饋到DCS監控系統上。變頻器仍然作為一個執行機構，類似擋板特性，只是時間系數需要重新調整，這種調節方式比較簡便公道，只需要DCS根據以往的工頻調節方式增加變頻調節回路，以前的工頻擋板控制方式繼續保存備用。

         6.窯尾高溫風機效益分析

         　　1.改造項目參數:

         　　電壓:6000V; 電流:76A 額定功率:630KW 轉速:990R/MIN 功率因數:0.85

         　　2.改造項目分析計算:

         　　由于現場對風機的風壓沒有特殊的要求，不考慮風壓的情況下,沒用高壓變頻之前（ 液力偶合裝置）電壓:6300V 運行電流:45A-50A 根據流量的對高壓風機節能進行計算：

         　　液力偶合裝置時的功率P1=1.732UicosQ=1.732＊6300＊45＊0.85W=417KW

         　　變頻調速時,生產中電機轉速為: 600r/min-700r/min變頻器效率取97%

         　　變頻調速的功率F2=630＊（650/990）3/085/0.97=220KW

         　　考慮其它方面的照明、冷卻損耗約：P3=15 kW

         　　變頻器節約的電能：P4= P1-P2-P4=417-220-15=182KW

         　　一年按照7000小時計算：

         　　一年總的節電：W=182＊7000=127.4萬度。

         7.窯尾高溫風機變頻改造總結

         　　根據我公司在山水水泥廠各個風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結高壓變頻器改造有以下優點：

         　　1.安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插進安裝高壓變頻器，對原有接線改動不大。

         　　2.操縱使用方便，高壓變頻器操縱只有簡單的開機、停機和頻率調整。

         　　3.能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。

         　　4.保護功能完善，故障率低，排風機啟動平穩，啟動電流小，可靠性高。

         　　5.電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節電效果明顯。

         　　6.由于高壓變頻器取代了液耦調速，消除了機械及液壓高故障率的缺陷，設備維護用度降低。

         　　7.電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。

         　　8.交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操縱使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、節電、軟啟動方面，對企業有很大的實用價值。我公司高壓變頻器在這個水泥廠對電機進行了成功的改造，其節能效果明顯，且同時進步了整個系統的工藝性能，得到用戶的好評，并在當地水泥行業中產生了很大的影響。

         8.結束語

         　　目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是制造本錢的競爭，而電動機電耗就占本錢近30%，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻器技術目前已經比較成熟，故障率較小，是水泥廠節能改造的理想設備，具有很高的應用價值。

    記者從金風科技獲悉，近日由內蒙古電力科學研究院與金風科技合作進行的RTDS平臺直驅永磁風機建模仿真獲得成功。有關專家稱，這表明由金風科技自主研發的永磁風電機組具有優異的低電壓穿越能力，對于推動“電網友好”風電發展意義重大。

    據先容，RTDS(RealTimeDigitalSimulator)即實時數字仿真儀，是一種專門用于研究電力系統中電磁暫態現象的裝置。此次建模仿真在不到一周的時間里將金風科技1.5MW直驅永磁機組的實際控制系統與RTDS平臺進行了成功對接，實現了直驅永磁風機并網實時在線模擬。

    “這意味著通過簡單的操縱，就可以對直驅永磁風機在復雜電力系統因風機并網而產生的題目進行科學的分析和研究，實現對風機并網特性的持續優化�！眱让晒烹娍圃河嘘P專家表示，“此舉將大大進步電力系統的安全保障，降低通過實際電網進行試驗的風險。”

　　水泥廠風機水泵變頻改造方案

    變頻器用于水泥生產過程,具有明顯的節能效果,是目前最先進的節能調整設備｡變頻調速電氣傳動由于其在性能上的優異表現,性價比的不斷提高,也正快速取代傳統的調速方式,成為水泥行業調速控制的主｡

    一､概述

    風機水泵類負載都是根據滿負荷工作需用量來選型,實際應用中大部分時間并非工作于滿負荷狀態,由于交流電機調速很困難｡常用擋風板､回流閥或開/停機時間,來調節風量或流量,同時大電機在工頻狀態下頻繁開/停比較困難,電力沖擊較大,勢必造成電能損耗和開/停機時的電流沖擊｡采用變頻器直接控制風機､泵類負載是一種最科學的控制方法,當電機在額定轉速的80%運行時,理論上其消耗的功率為額定功率的(80%)2次方,即51.2%,去除機械損耗電機銅､鐵損等影響｡節能效率也接近40%,同時也可以實現閉環恒壓控制,節能效率將進一步提高｡由于變頻器可實現電動機的軟停､軟起,避免了啟動時的電壓沖擊,減少電動機故障率,延長使用壽命,同時也降低了對電網的容量要求和無功損耗｡

    二､交流變頻調速系統（變頻器）的特點:

    1､效率高，提高功率因素，節約能源：在相同的情況下.變頻器驅動比一般直流傳動方式能提高效率5%左右,比電動機一發電機組供電的直流傳動方式提高效率15%左右,比其它交流調速方式提高效率20%以上,節能效果顯，變頻器用于風機水泵上調速控制,甚至可節約電能50%以上｡

    2､ED2003系列風機水泵型變頻器具有和直流調速系統相同的調速平滑､方便､超載力矩和起動力矩大等優點｡目前較先進的變頻器的調速范圍可達1:100,超載能力可達120%､60秒｡

    3､系統的控制精度和響應速度均優于工頻傳動指標和水平｡

    4､工/變頻轉換電路,保障系統的安全可靠

    5､提高了運行可靠性.減少了維修工作量，降低了運行成本，降低了水泥產品成本及提高了產品品質｡

    三､節能原理

    羅茨風機節能

    羅茨風機的風壓是不受風機轉速限制的,不論轉速變化如何其風壓可以保持不變｡而風量則與風機轉速成正比的,即Q=KN

    Q:表示風量N:表示風機轉速K:為系數

    從公式可知,風量調節,完全由變頻器改變電機頻率達到無級變速,起到調節風量的效果｡根據現場應用工藝，風機的最低頻15HZ,通常在35HZ左右,有個別時刻50HZ滿風量運行,由于立窯工藝基本是一致的,因此在不同的立窯風量調節量是基本相同的,凡立窯應用變頻技術都可以獲40%左右的節能效果｡
   
　　羅茨鼓風機個恒轉矩負載,其節電率與轉速降成正比即N%=△N%,雖然不同于一般風機､水泵節電率更高,但因它的功率較大,而且只要爐墻不壞,是連續24小時工作的,并開動時間亦很長｡因此節電潛力大,節電效果好｡

    羅茨鼓風機進行技術改造后,改變了過去以調節出口(進口)閥門開度方式來調節風壓或風量的生產方式,勞動強度減輕,調節的及時性好,提高了產品的合格率,能耗明顯下降｡

    離心式風機､泵類設備的流量與轉速成正比：Q∝N

    壓力與轉速平方成正比：H∝N²

    功率與轉速的立方成正比：P∝N³