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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(diào)節(jié)以控制流量，在調(diào)節(jié)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(huán)境保護。變頻調(diào)速技術是現(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，我國大型配套風機主要采用進、出口風門擋板、進口軸向?qū)Я髌鳌⑦M口靜葉調(diào)節(jié)器等方法進行風門的調(diào)節(jié)以控制流量，其缺點是節(jié)流損失大，增加風機的功率消耗，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。由于定速風機啟動轉(zhuǎn)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(qū)，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(diào)速和增加保護功能，通過對高壓變頻調(diào)速技術的研究，擬定使用該調(diào)速系統(tǒng)來進行調(diào)速控制，取代傳統(tǒng)的擋風板、節(jié)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(diào)速的節(jié)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(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是國際公認的交流電機最理想、最有前途的調(diào)速方案。

異步電動機的變頻調(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的同步轉(zhuǎn)速。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，在很多領域都獲得了廣泛的應用。

高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：

（1）由負載檔板或閥門調(diào)節(jié)導致的大量節(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(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

當風機風量需要改變時，如調(diào)節(jié)風門的開度，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)風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當風機低于額定轉(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′是實際轉(zhuǎn)速，P是額定轉(zhuǎn)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(jié)能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。

3現(xiàn)場設備情況

首鋼水城鋼鐵集團燒結(jié)配料除塵風機電機現(xiàn)場如圖1所示。參數(shù)如表1、表2所示。

圖1 配料除塵風機現(xiàn)場照片

為了節(jié)能降耗，提高風機的調(diào)節(jié)性能，在2021年節(jié)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(chǎn)的JD-BP38-710F變頻調(diào)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(tǒng)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(yè)，生產(chǎn)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(lián)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(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。

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。

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(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應快，調(diào)速精度高，帶負載能力強，提高設備運行的平穩(wěn)性；

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

(3)快速飛車啟動技術，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(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護狀態(tài)復位重新帶載運行；

(4)電網(wǎng)瞬時掉電重啟技術，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。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(xiàn)大容量電機雙向無擾動投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進行；

(7)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術，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；

(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(xù)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(xié)議，頻率設定可以現(xiàn)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(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；

(11)單元內(nèi)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)；

(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(xù)運行。

5改造系統(tǒng)方案介紹

燒結(jié)配料除塵風機目前的控制方式主要根據(jù)生產(chǎn)工藝需求風量的大小，通過高壓變頻器實時調(diào)整風機電機頻率來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風機風量。采用變頻器后保持進擋板全開，系統(tǒng)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(tǒng)調(diào)節(jié)變頻器頻率來調(diào)節(jié)風機風量。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。變頻器內(nèi)置PLC，用于柜體內(nèi)開關信號的邏輯處理，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(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)除塵風機現(xiàn)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(xiàn)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(jù)現(xiàn)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(tǒng)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(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風量，電機與風機間不用做任何改動，且變頻調(diào)節(jié)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(gòu)，實現(xiàn)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(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與變頻輸出隔離開關，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)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(lián)后，并聯(lián)于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入；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)的預留點，設計高壓變頻控制、運行監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)包括工、變頻的運行、停止命令按鈕；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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(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)的運行頻率， 來控制電機的運行轉(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、復位控制信號，調(diào)整運行狀態(tài)。

當JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)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(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(diào)速系統(tǒng)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(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，當出現(xiàn)嚴重故障時及時跳開斷路器，保護JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及電機。

當所有開機條件都具備后，DCS發(fā)出變頻運行命令，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(tài)，由DCS給出4~20mA信號控制變頻器頻率來改變電機轉(zhuǎn)速。

7 變頻改造后運行情況

7.1節(jié)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(chǎn)，系統(tǒng)達到了預期的效果。配料除塵風機監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示，高壓變頻器設備現(xiàn)場運行照片如圖5所示。

圖4 配料除塵風機監(jiān)控系統(tǒng)界面

圖5 高壓變頻器現(xiàn)場運行照片

經(jīng)過鋼廠能源利用監(jiān)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(xiàn)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(tǒng)的沖擊。配料除塵風機高壓變頻器投入運行后，正常生產(chǎn)情況下，變頻運行狀態(tài)40Hz左右即可滿足生產(chǎn)需求，

變頻狀態(tài)運行數(shù)據(jù)，如表4所示。

工頻時運行數(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：（389.85kW-255.17kW）×24h×330d=106.67萬kW?h按0.5元/kW?h計算，每年節(jié)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(jié)配料除塵風機系統(tǒng)中應用變頻調(diào)速裝置后，延長了電機和設備的使用壽命。燒結(jié)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(diào)速裝置后，可以實現(xiàn)軟啟動和軟停止，減少了檢修維護開支，節(jié)約了大量維護費用。

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)部通過技術改造節(jié)能降耗是節(jié)能降耗工作的重點，作為鋼鐵生產(chǎn)主要耗能大戶之一的燒結(jié)配料除塵風機的節(jié)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(yè)技改的迫切需求，是節(jié)能項目中大力推廣的產(chǎn)品。隨著高壓變頻器的性價比越來越高，為燒結(jié)配料除塵風機變頻調(diào)速節(jié)能改造提供了更廣闊的前景。