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高壓變頻器在熱風爐助燃風機上的應用

發布時間:2014-04-14 作者:新風光

1引言
  變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果,改善設備的運行工況,提高系統的安全可靠性,延長設備使用壽命等優點,成為現代電力傳動技術的一個發展方向。而通過調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象的方法,不僅控制精度受到限制,而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。隨著當今社會市場競爭不斷加劇,采用變頻調速技術對這類負載進行改造,成為社會的潮流。
2 改造現場設備
  吉林建龍集團煉鐵廠1#、2#高爐分別有2個助燃風機,風機型號為:SFG17.5F-C5A,配備電機YKK500-4,800kW/10kV。風機改造前使用高壓柜直接啟動,電機采用工頻運行,通過調節風機進風閥開度和放散閥開度滿足工藝要求,風機進風閥開度在40%~60%,電機電流28~36A,大量的能量都被消耗在風門擋板上了,風機運行噪聲大,電機低負載率,功率因數低。助燃風機送風壓力不穩,影響了熱風爐正常燒爐送風。因此助燃風機的改造勢在必行。2012年技改項目中,熱風爐助燃風機應用變頻調速技術進行改造,取得了明顯效果。
  1#、2#高爐助燃風機型號相同,其設備參數如表1所示。

3助燃風機變頻節能原理
  煉鐵廠高爐助燃風機的作用是抽取大氣中的空氣,引入熱風爐中為其助燃燒爐,是保證高爐正常生產的重要設備。助燃風機通常情況下根據生產需要對風量、空氣溫度、熱風放散量等指標進行控制調節以適應工藝要求和運行工況。常用的控制手段是調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣,不論生產的需求大小,風機都全速運轉,而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節流損失和熱風放散損失掉了。在生產過程中,不僅控制精度受到限制,而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產成本增加,設備使用壽命縮短,設備維護、維修費用居高不下。
  變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系:n=60f(1-s)/p,(式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數);變頻器通過改變電動機工作電源頻率f達到改變電機轉速的目的。
  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較為主要的調速方式,在很多領域都獲得了廣泛的應用。
  根據流體力學相似定律: Q1/Q2=n1/n2 輸出風量Q與轉速n成正比;
  H1/H2=(n1/n2)2 輸出壓力H與轉速n2正比;
  P1/P2=(n1/n2)3輸出軸功率P與轉速n3正比。
  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擋板上。如采用變頻調速調節風量,可使軸功率隨風量的減小大幅度下降。可見,通過變頻對風機進行控制,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。
4風光JD-BP38系列高壓變頻器技術特點
  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,其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準,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。具體來說,風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)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
(3)完整的工頻/變頻自動互切技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜,變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行,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生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜,不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態,還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能,整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
(4)旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復,高壓變頻器不停機,高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
(5)線電壓自動均衡技術(星點漂移技術)。變頻器某相有單元故障后,為了使線電壓平衡,傳統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通過調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。
(6)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。
(7)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。
(8)散熱結構設計合理,單元串聯多重化并聯結構,IGBT承受的電壓較低,可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue),設備可靠性更高。
(9)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。
(10)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。
(11)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改造方案
  熱風爐助燃風機目前的控制方式主要根據熱風爐助燃風量的需求,通過高壓變頻器實時調整風機電機頻率來實現調節風機運行工況。采用變頻器后保持進風閥全開,根據生產需要人工操作調節風機轉速。系統可隨時隨意改變送風量以適應變化,保持風機的正常經濟運行。
  通過目前已有的DCS系統調節變頻器頻率轉速來調節助燃風機風量。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。變頻器包括一臺內置的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助燃風機進行變頻運行,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,助燃風機引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,實現助燃風機在工頻或變頻運行。
6變頻改造主回路
  煉鐵廠1#、2#高爐熱風爐4臺助燃風機選用風光JD-BP38-800F高壓變頻器2臺,變頻器配置手動旁路柜,用于變頻/工頻切換。采用“一拖二”變頻控制。
  1#高爐熱風爐助燃風機2臺,采用一用一備。變頻改造采用2臺助燃風機共用一套高壓變頻器,2#高爐熱風爐2臺助燃風機共用一套高壓變頻器。以1#高爐2臺助燃風機為例說明控制過程。其一次系統接線圖路如圖1所示,通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的風機上去。如圖所示高壓變頻器可以拖動1#風機電動機實現變頻運行,也可以通過切換拖動2#風機電動機實現變頻運行。1#、2#風機電動機均具備工頻旁路功能。

  QF1和QF2分別為1#和2#助燃風機電源高壓斷路器;
  QS11和QS21分別為1#、2#助燃風機電源高壓隔離開關;
  QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關;
  變頻器為風光JD-BP38-800F高壓變頻器。
  高壓變頻器控制電機為一拖二控制,旁路開關柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關,變頻器運行時,要求QS11或QS21閉合。QS11、QS12閉合,QS21、QS22斷開,QS13斷開,1#風機變頻運行;QS12斷開,QS13閉合1#風機工頻運行;QS21、QS22閉合,QS11、QS12斷開,QS23斷開,2#風機變頻運行;QS22斷開,QS23閉合,2#風機工頻運行;其中,QS12與QS13、QS22電氣互鎖,QS22與QS23、QS12電氣互鎖;QS11、QS21電氣互鎖;將控制柜“遠控/本控”開關打至“遠控”位置,將相應風機斷路器“就地/遠方”開關打至“遠方”位置,可實現風機的遠控操作。
7改造節能效果
  熱風爐助燃風機變頻改造后,兩套高壓變頻器2012年11月份一次性投入生產,至今運行正常。經過廠節能服務中心測試,系統達到了預期的效果。風機設備實現了軟起動,電機電流有明顯下降,降低了風機運行噪聲,改善了設備的運行工況。
  1#高爐助燃風機供3臺熱風爐送風,采用一用一備。2#高爐狀況與1#高爐相同。根據高爐工藝要求,3座熱風爐采用兩燒一送,約2小時換爐一次,風門開度60%,換爐操作時間約10min,雙燒時間約占80%,單燒時間約占20%,工頻雙燒時,電機電流36A,風機消耗功率為511kW;單燒時,電機電流28A,風機消耗功率為392kW,大量剩余空氣排空,浪費嚴重。
  工頻每小時消耗功率為:
  P工=80%×511kW+20%×392kW=408.8 kW +78.4 kW =487.2kW。
  改造后,兩座熱風爐同時燒爐時與單座熱風爐燒爐時,助燃風機運行數據記錄如表2所示。

  變頻每小時消耗功率為:
  P變=80%×358.9kW+20%×270.8kW=287.12+54.16=341.28kW。
  每天運行24h,全年運行350d,每度電按0.5元計算,1#高爐助燃風機全年節電費用計算如下:
  (487.2kW-341.28kW)×24h×350d×0.5元/kW·h=612864元。
  2#高爐與1#高爐運行工況基本相同,2#高爐助燃風機節能效果與1#高爐助燃風機節能效果相當,這樣一年兩臺風機共節約120余萬元,節電效果還是非常明顯的。
8結束語
  經過國內變頻器廠家的不斷努力,國內變頻器產品以其性能良好,性價比高,良好的本地化服務,廣泛應用于各行各業,并且綜合效益顯著,能短期內為用戶收回投資。隨著國家對節能減排工作力度空前加大,變頻調速技術發展前景十分廣闊,已迎來歷史黃金發展時期。