阿爾法變頻器在煉鐵高爐上的應用

一.前言

      改革開往以來,我國國民經濟迅速發展,但是能源工業的發展遠遠滿足不了需要,而且相當一個時期內能源缺口的狀態不會改觀,因此國家以開發與節約并重的能源政策為主.尤其以節約寶貴的二次能源---電能為主.我國電能比較大的用戶是電機,約占50%,其中風機水泵的耗電占全部電能的30%.傳統的風機水泵的風量,水量的調節是靠風門,節流閥的調節.當風量,水量的需要減少時,風門,閥的開度減少,當風量,水量的需要增加時,風門,閥的開度增加,這種調節方式雖然簡單易行,已成習慣,但它是以增加管網損耗,耗費大量能源在風門,閥上為代價的.并且通常在設計中,用戶風機水泵的設計容量都要比實際需要高出很多,這樣容易形成人們常說的"大馬拉小車"的現象,造成電能的大量浪費.

      某廠在國家不斷完美市場經濟體制,加快改革開放和西部大開發的大好形式下,抓住機遇,加速發展,廣泛吸收國內個優秀鋼鐵企業的成功經驗,優化工藝結構,大力推進技術進步,節能降耗,清潔生產等工作,使鋼鐵產品結構更趨合理,市場競爭力顯著增強,在現代化,節約化,高效化的工業進程中實現了實質的飛躍,為實現企業可持續發展,為國家節能環保事業和經濟發展做出了較大的貢獻,如果采用調節速度的方式來調節流量,就可以從根本防止電能的浪費,近年來隨著電力電子技術的發展,變頻調速技術越來越成熟,因此推廣變頻調速,在風機,水泵類設備上的應用,對于減少能源浪費具有重要意義.

二.項目概況

      2005年隨著某廠改擴建項目的先后投產,該廠的生產規模更加上了一個新的臺階,用電量也將大幅度增加.針對目前電力供應緊張的局面,為滿足昆鋼不斷增長的生產,生活用電的需要,該在取得"綠色照明"改造等節電成果的基礎上,對老系統,老設備將再積極探索推廣使用變頻節能產品,進一步提高設備的電能利用效率,力求在節約資源,降低生產成本,提高經濟效益,保護環境上取得新的突破,

      某廠二號三號高爐始建于上世紀八十年代,設備幾經改造,其中變頻器應用在300立方米高爐上的熱風爐助燃鼓風機上,電機參數如下:

三.生產工藝流程

1.工藝簡圖如下圖:

2.運行簡況

      煉鐵廠二號,三號高爐熱風助燃風機設計為一對一無備用,風機為24小時連續運行.在熱風爐出口設有放空閥,用于調節供給高爐熱風的壓力和流量,壓力一般控制在5.0--5.4KPA.兩座高爐熱風爐助燃風機長期以來均通過調節放空閥的方法來實現流量控制,故系統效率低,功耗大,電能浪費嚴重,由于生產正常時要求持續,穩定的供風,因此風量,風壓變化不大,此時可通過變頻器調節消除節流損失,同時提高風機的運行效率,雖然由于電動機負載率的下降會使其運行效率降低,但因風機運行功率的下降幅度很大,電動機的損耗也有所減少,比較終使電動機運行功率大幅下降,從而達到節電的目的.

3.因兩座高爐的工況不同,以2號高爐熱風爐鼓風機為例,高爐在正常煉鐵生產 時由于現場測試條件有限,只對電機進行了測試.

實測數據: 風機電機的平均功率P=200.98KW

測試工況:風機正常運行,進口風門開度約85%,放空閥開度約5%,熱風壓力5.2KPA

四.改造方案:

1.變速調速原理:

按照電機學的基本原理,電機的轉速原理滿足如下關系式:

n=(1-s)60f/p

式中:P-電機極對數, F-電機運行頻率,S--轉差.

      從式中看出,電機的同步轉速N1正比于電機的運行頻率N,由于轉差S一般情況下比較小<0.05,電機的實際轉速N約等于電機的同步轉速N1,所以調節了電機的供電頻率F,就能改變電機的實際轉速.

而改變頻率必須供電電壓,由交流電機成產的電磁關系:

E=4.44fwØ

式中:E--電機電動勢, F-定子頻率, W--繞數系數,Ø-氣隙主磁通.

      對異頻電機調速時,希望主磁通Ø恒定,就U/F曲線保持恒定,所以改變頻率時,供電電壓也跟著變化,

2. 風機調速節電原理:

      由于風機內部流體的復雜,單憑理論不能精確算出它們的性能,只能依靠流體力學中的相似理論,通過實驗和模擬手段來計算風機的運行工況.把相似定律應用于不同轉速運行的同一臺風機時,就可以得到下式:當改變風機的轉速,其轉速 n 流量Q 壓力(揚程)H,軸功率P的關系為:

      從上式可以看出,流量與轉速成正比,壓力轉速的平方成正比,軸功率與轉速的立方成正比,所以降低轉速可以大幅度減少耗電量,風機的節電原理就是用調速裝置來代替風門調節流量,減少節流損失,節約電能,風機是用來傳送氣體的機械設備,風機是把電動機的軸功率轉變為機械的一種機械,它們的壓力矩都較小,負載輕,具有很大節能潛力.

3.改造方式:

      兩座高爐熱風助燃風機目前通過調整風機進風閥門開度及放空閥開度來實現風量調節,由人工在控制室根據風量需求在計算機上進行手動調節或在電機旁現場手動調,改造方案在采用變頻器后保持進風閥全開,放空閥全關,根據風壓和流量遠程手動調節風機轉速,系統可隨時隨意改變鼓風量,以適應高爐生產的變化,保持風機的正常經濟運行,達到穩定控制,方便操作,節約能源的目的.

      為了保證系統的可靠性,兩臺風機均采用一臺阿爾法變頻器一拖一的控制方式,控制回路上設計工頻運行切換選擇,工/變頻選擇由人工切換操作,實現熱風爐風機或變頻運行,保留原控制系統和控制設備,調速控制均采用集中和遠程兩地操作,沿用現有的PLC計算機系統,利用現有的PLC模塊備用I/O點,通過在燃控計算控制系統修改程序增加鼓風機的調速操作功能和變頻器輸出頻率,輸出電流顯示功能. 

四.運行節電效果分析:

以二號高爐熱風爐風機為例:

平均節電率達27%以上,約一年半就能回收成本.

五,應用變頻器產生的其它效果:

1. 維護量減少

      采用變頻調整后無論哪種工作條件,隨時可以通過調整轉速使系統在接近額定狀態下工作,由于啟動緩慢及轉速的降低相應地延長了許多零部件的壽命,同時極大地減輕了對管道的沖擊,節約大量的維護費用,

2.減少了對電網的沖擊

      采用變頻器后系統實現軟啟動,電機啟動電流遠遠小于額定電流,啟動時間相應延長,對電網無沖擊,減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷,有效地延長了電機的使用壽命,

3.改善了工作環境

      在滿足于生產工藝要求下,通過降低了風機的轉速降低了風機的燥音,風機燥音降低相當明顯,大大改善了員工的工作環境.