產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機上的應(yīng)用
1引言
變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果,改善設(shè)備的運行工況,提高系統(tǒng)的安全可靠性,延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點,成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個發(fā)展方向。而通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)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(shè)備損耗。隨著當今社會市場競爭不斷加劇,采用變頻調(diào)速技術(shù)對這類負載進行改造,成為社會的潮流。
2 改造現(xiàn)場設(shè)備
吉林建龍集團煉鐵廠1#、2#高爐分別有2個助燃風(fēng)機,風(fēng)機型號為:SFG17.5F-C5A,配備電機YKK500-4,800kW/10kV。風(fēng)機改造前使用高壓柜直接啟動,電機采用工頻運行,通過調(diào)節(jié)風(fēng)機進風(fēng)閥開度和放散閥開度滿足工藝要求,風(fēng)機進風(fēng)閥開度在40%~60%,電機電流28~36A,大量的能量都被消耗在風(fēng)門擋板上了,風(fēng)機運行噪聲大,電機低負載率,功率因數(shù)低。助燃風(fēng)機送風(fēng)壓力不穩(wěn),影響了熱風(fēng)爐正常燒爐送風(fēng)。因此助燃風(fēng)機的改造勢在必行。2012年技改項目中,熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進行改造,取得了明顯效果。
1#、2#高爐助燃風(fēng)機型號相同,其設(shè)備參數(shù)如表1所示。
3助燃風(fēng)機變頻節(jié)能原理
煉鐵廠高爐助燃風(fēng)機的作用是抽取大氣中的空氣,引入熱風(fēng)爐中為其助燃燒爐,是保證高爐正常生產(chǎn)的重要設(shè)備。助燃風(fēng)機通常情況下根據(jù)生產(chǎn)需要對風(fēng)量、空氣溫度、熱風(fēng)放散量等指標進行控制調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運行工況。常用的控制手段是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象。這樣,不論生產(chǎn)的需求大小,風(fēng)機都全速運轉(zhuǎn),而運行工況的變化則使得能量以風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失和熱風(fēng)放散損失掉了。在生產(chǎn)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(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加,設(shè)備使用壽命縮短,設(shè)備維護、維修費用居高不下。
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系:n=60f(1-s)/p,(式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù));變頻器通過改變電動機工作電源頻率f達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。
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較為主要的調(diào)速方式,在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學(xué)相似定律: Q1/Q2=n1/n2 輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;
H1/H2=(n1/n2)2 輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比;
P1/P2=(n1/n2)3輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。
當風(fēng)機風(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擋板上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量,可使軸功率隨風(fēng)量的減小大幅度下降。可見,通過變頻對風(fēng)機進行控制,不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)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)。
4風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻器技術(shù)特點
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,其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準,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。具體來說,風(fēng)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(zhuǎn)的情況下直接起動。
(3)完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)?,F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜,變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜,不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài),還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運行的功能,整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運行造成任何影響。
(4)旋轉(zhuǎn)中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù),高壓變頻器不停機,高壓恢復(fù)后變頻自動運行到掉電前的頻率。
(5)線電壓自動均衡技術(shù)(星點漂移技術(shù))。變頻器某相有單元故障后,為了使線電壓平衡,傳統(tǒng)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(shù)通過調(diào)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(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。
(7)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。
(8)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu),IGBT承受的電壓較低,可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue),設(shè)備可靠性更高。
(9)具備突發(fā)相間短路保護功能。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,保護設(shè)備不受損害,避免事故的發(fā)生。
(10)限流功能:當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載突然變化而引起的過流保護,最大限度減少停機次數(shù)。
(11)故障自復(fù)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(fù)位,繼續(xù)運行。
5改造方案
熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機目前的控制方式主要根據(jù)熱風(fēng)爐助燃風(fēng)量的需求,通過高壓變頻器實時調(diào)整風(fēng)機電機頻率來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)機運行工況。采用變頻器后保持進風(fēng)閥全開,根據(jù)生產(chǎn)需要人工操作調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)可隨時隨意改變送風(fēng)量以適應(yīng)變化,保持風(fēng)機的正常經(jīng)濟運行。
通過目前已有的DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻器頻率轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)助燃風(fēng)機風(fēng)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。變頻器包括一臺內(nèi)置的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)用戶的需要擴展控制開關(guān)量,增強了系統(tǒng)的靈活性。利用高壓變頻器根據(jù)實際需要對助燃風(fēng)機進行變頻運行,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,助燃風(fēng)機引風(fēng)機現(xiàn)有的控制設(shè)備和運行方式仍將保留,控制回路上設(shè)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)助燃風(fēng)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(fēng)爐4臺助燃風(fēng)機選用風(fēng)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(fēng)爐助燃風(fēng)機2臺,采用一用一備。變頻改造采用2臺助燃風(fēng)機共用一套高壓變頻器,2#高爐熱風(fēng)爐2臺助燃風(fēng)機共用一套高壓變頻器。以1#高爐2臺助燃風(fēng)機為例說明控制過程。其一次系統(tǒng)接線圖路如圖1所示,通過切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器切換到要運行的風(fēng)機上去。如圖所示高壓變頻器可以拖動1#風(fēng)機電動機實現(xiàn)變頻運行,也可以通過切換拖動2#風(fēng)機電動機實現(xiàn)變頻運行。1#、2#風(fēng)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(fēng)機電源高壓斷路器;
QS11和QS21分別為1#、2#助燃風(fēng)機電源高壓隔離開關(guān);
QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān);
變頻器為風(fēng)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(guān)柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關(guān),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(fēng)機變頻運行;QS12斷開,QS13閉合1#風(fēng)機工頻運行;QS21、QS22閉合,QS11、QS12斷開,QS23斷開,2#風(fēng)機變頻運行;QS22斷開,QS23閉合,2#風(fēng)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(guān)打至“遠控”位置,將相應(yīng)風(fēng)機斷路器“就地/遠方”開關(guān)打至“遠方”位置,可實現(xiàn)風(fēng)機的遠控操作。
7改造節(jié)能效果
熱風(fēng)爐助燃風(fēng)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(chǎn),至今運行正常。經(jīng)過廠節(jié)能服務(wù)中心測試,系統(tǒng)達到了預(yù)期的效果。風(fēng)機設(shè)備實現(xiàn)了軟起動,電機電流有明顯下降,降低了風(fēng)機運行噪聲,改善了設(shè)備的運行工況。
1#高爐助燃風(fēng)機供3臺熱風(fēng)爐送風(fēng),采用一用一備。2#高爐狀況與1#高爐相同。根據(jù)高爐工藝要求,3座熱風(fēng)爐采用兩燒一送,約2小時換爐一次,風(fēng)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(fēng)機消耗功率為511kW;單燒時,電機電流28A,風(fēng)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(fēng)爐同時燒爐時與單座熱風(fēng)爐燒爐時,助燃風(fēng)機運行數(shù)據(jù)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(fēng)機全年節(jié)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(fēng)機節(jié)能效果與1#高爐助燃風(fēng)機節(jié)能效果相當,這樣一年兩臺風(fēng)機共節(jié)約120余萬元,節(jié)電效果還是非常明顯的。
8結(jié)束語
經(jīng)過國內(nèi)變頻器廠家的不斷努力,國內(nèi)變頻器產(chǎn)品以其性能良好,性價比高,良好的本地化服務(wù),廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),并且綜合效益顯著,能短期內(nèi)為用戶收回投資。隨著國家對節(jié)能減排工作力度空前加大,變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展前景十分廣闊,已迎來歷史黃金發(fā)展時期。