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解決方案

高壓變頻器在濟(jì)鋼燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2014-04-12 作者:新風(fēng)光

1引言

  鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),能源消耗量約占全國(guó)工業(yè)總能耗的15%,廢水和固體廢棄物排放量分別占工業(yè)排放總量的14%和17%,是節(jié)能減排的重點(diǎn)行業(yè)。在鋼鐵企業(yè)中,燒結(jié)工序能耗僅次于煉鐵工序,占總能耗的9%~12%,節(jié)能潛力很大。在燒結(jié)工序總能耗中,有近50%的熱能以燒結(jié)機(jī)煙氣和冷卻機(jī)廢氣的形式排入大氣。由于燒結(jié)冷卻機(jī)廢氣為中低溫廢氣,溫度在150℃~450℃之間,且波動(dòng)范圍較大,加上此前余熱回收技術(shù)的局限,燒結(jié)余熱利用往往是投資高,效率低,投資回收周期長(zhǎng),長(zhǎng)期以來(lái)得不到有效利用。隨著國(guó)內(nèi)燒結(jié)機(jī)面積不斷的擴(kuò)大,燒結(jié)礦生產(chǎn)效率越來(lái)越高,其在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣所攜帶的熱量已經(jīng)引起了人們的高度關(guān)注。國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)、制造的燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電機(jī)組也發(fā)展起來(lái)。

2燒結(jié)余熱循環(huán)利用介紹

   燒結(jié)余熱回收主要有兩部分:一是燒結(jié)機(jī)尾部廢氣余熱,二是熱燒結(jié)礦在冷卻前空冷時(shí)產(chǎn)生的廢氣余熱。這兩部分廢氣所含熱量約占燒結(jié)總耗能的50%,充分利用這部分熱量是提高燒結(jié)能源利用效率,顯著降低燒結(jié)工序能耗的途徑之一。

  目前,國(guó)內(nèi)燒結(jié)廢氣余熱回收利用主要有三種方式:一是直接將廢煙氣經(jīng)過(guò)凈化后作為點(diǎn)火爐的助燃空氣或用于預(yù)熱混合料,以降低燃料消耗,這種方式較為簡(jiǎn)單,但余熱利用量有限,一般不超過(guò)煙氣量的10%;二是將廢煙氣通過(guò)熱管裝置或余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽,并入全廠蒸汽管網(wǎng),替代部分燃煤鍋爐;三是將余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電。

3濟(jì)鋼400㎡燒結(jié)余熱發(fā)電工藝介紹

  濟(jì)鋼煉鐵廠燒結(jié)余熱發(fā)電工程設(shè)計(jì)發(fā)電能力14000kW。由一臺(tái)Q334(272)/450(330)-55.5(14)-2.35(0.3)/400(210)雙壓余熱鍋爐和一臺(tái)BN14-2.25/(0.3)+QF-W15-2補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組成。具體工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 濟(jì)鋼煉鐵廠燒結(jié)余熱發(fā)電工藝流程圖

  通過(guò)引風(fēng)機(jī)將帶冷機(jī)1號(hào)、2號(hào)煙囪的煙氣引出,混合后進(jìn)入有效余熱鍋爐,加熱鍋爐內(nèi)的水產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽和低壓飽和蒸汽,供給汽輪機(jī)發(fā)電。但是在這個(gè)過(guò)程中引風(fēng)機(jī)排出煙氣溫度仍在150℃以上,這部分煙氣熱量也是可以再次循環(huán)利用的。濟(jì)鋼400㎡燒結(jié)余熱發(fā)電配備循環(huán)風(fēng)機(jī)(使用沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠F32型鼓風(fēng)機(jī))一臺(tái),配套西安西瑪YJTKK7105-6(10kV /1600kW)變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)一臺(tái),啟動(dòng)方式采用變頻啟動(dòng)。引風(fēng)機(jī)排出的煙氣經(jīng)過(guò)三通擋板閥一部分排向大氣,一部分經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后返回環(huán)冷機(jī)風(fēng)池。既作為冷卻介質(zhì)冷卻燒結(jié)礦,同時(shí)提高環(huán)冷機(jī)排煙溫度。

  燒結(jié)余熱發(fā)電是一項(xiàng)將燒結(jié)廢氣余熱資源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ墓?jié)能技術(shù)。該技術(shù)不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其他有害氣體,能夠有效提高燒結(jié)工序的能源利用效率,平均每噸燒結(jié)礦產(chǎn)生的煙氣余熱回收可發(fā)電20kW·h,折合噸鋼綜合能耗可降低約8千克標(biāo)準(zhǔn)煤,從而促進(jìn)鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

4風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載節(jié)能分析

  一般異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為:n1=60f/p

  而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個(gè)滑差關(guān)系: n= n1(1-s)=60f/p(1-s)

  由上式可以得到,改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)改變f、p、s可以達(dá)到。

  針對(duì)某一電動(dòng)機(jī)而言p是一定的,而通過(guò)改變s進(jìn)行調(diào)速空間非常小,所以變頻調(diào)速通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速是異步電動(dòng)機(jī)的較為合理的調(diào)速方法。   

  若均勻地改變供電頻率f,即可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn),目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)較主要的調(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(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量(水泵流量)需要改變時(shí),如調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)(閥門(mén))的開(kāi)度,則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門(mén)及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量(流量),可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí),當(dāng)風(fēng)機(jī)(水泵)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí),理論節(jié)電為:

  E=〔1-( n′/n) 3〕×P×T (kW·h)

  式中: n——額定轉(zhuǎn)速

      n′—— 實(shí)際轉(zhuǎn)速

      P——額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率

      T——工作時(shí)間   

  可見(jiàn),通過(guò)變頻對(duì)風(fēng)機(jī)(水泵)進(jìn)行控制,不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。

5高壓變頻器選型及變頻調(diào)速方案

5.1變頻器選型

  經(jīng)過(guò)大量的技術(shù)論證,并且對(duì)目前高壓變頻器市場(chǎng)充分考查后,選用了山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1600F高壓變頻器對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制,不但節(jié)約能源而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。

  表1   循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù):

  表2   山東新風(fēng)光JD-BP38-1600F高壓變頻器技術(shù)參數(shù):

5.2變頻調(diào)速方案

  通過(guò)對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的研究、分析,綜合其中存在的問(wèn)題,以“先保證系統(tǒng)安全可靠,結(jié)構(gòu)合理,提供較佳性價(jià)比方案”的原則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì),決定采用一拖一手動(dòng)方案。其一次電路如圖2所示:

圖2  高壓變頻系統(tǒng)一次接線圖

  QF為用戶原高壓開(kāi)關(guān);

  K1、K2和K3為變頻器旁路開(kāi)關(guān)柜高壓隔離開(kāi)關(guān);

  BPQ為風(fēng)光JD-BP38-1600F高壓變頻器;

  M為高壓電動(dòng)機(jī)。

  變頻器控制風(fēng)機(jī)為一拖一控制,旁路開(kāi)關(guān)柜用于工/變頻切換。K1,K2和K3為3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān),要求K2和K3不能同時(shí)閉合,在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。K2斷開(kāi),K1和K3閉合,風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行;K1和K3斷開(kāi),K2閉合,風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。

5.3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

  (1)電機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟停止。

  (2)可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速,可以根據(jù)生產(chǎn)需要線性調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

 ?。?)調(diào)速區(qū)段內(nèi)的設(shè)備調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制由機(jī)組DCS完成,DCS負(fù)責(zé)采集模擬量、開(kāi)關(guān)量等信號(hào),變頻器輸出的模擬量、開(kāi)關(guān)量信號(hào)全部進(jìn)入DCS系統(tǒng),形成閉環(huán)控制,同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)輔機(jī)聯(lián)鎖功能等。

  (4)系統(tǒng)設(shè)有就地和遠(yuǎn)方兩種控制途徑,就地控制是在變頻器處通過(guò)變頻器觸摸屏進(jìn)行操作或應(yīng)急處理;遠(yuǎn)方控制是在控制室內(nèi)進(jìn)行,分為兩種工作方式:一種為遠(yuǎn)方手動(dòng)方式,在這種工作方式下,操作員通過(guò)DCS系統(tǒng)的CRT手動(dòng)給定信號(hào),調(diào)節(jié)變頻器,改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的;一種方式為遠(yuǎn)方自動(dòng)方式,在這種工作方式下,轉(zhuǎn)速給定是在DCS系統(tǒng)中根據(jù)工況運(yùn)用相關(guān)算法進(jìn)行運(yùn)算,得出相應(yīng)風(fēng)壓值,轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)頻率值,輸出給變頻器,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度,使系統(tǒng)參數(shù)跟隨給定值變化,從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。

  (5)信息傳遞:變頻器可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)組DCS系統(tǒng)的雙向信息傳遞,可完成自診斷、報(bào)警和接收指令的功能。變頻器可提供給DCS系統(tǒng)如下參量:輸出轉(zhuǎn)速、輸出電流、變頻器溫度等反饋信息,通過(guò)4~20mA電流源模擬量輸出。提供的開(kāi)關(guān)量有:變頻器報(bào)警及故障信息、啟停狀態(tài)信息、高壓開(kāi)關(guān)控制信號(hào)(高壓合閘允許、高壓開(kāi)關(guān)緊急分?jǐn)啵┑取W冾l器接收的DCS的模擬量信號(hào)為遠(yuǎn)控轉(zhuǎn)速給定,開(kāi)關(guān)量為遠(yuǎn)方啟/停、高壓就緒信號(hào)等。

  (6)完備的保護(hù)功能:變頻器內(nèi)保護(hù)配置齊全,有運(yùn)行中開(kāi)門(mén)、冷卻風(fēng)扇停運(yùn)、變頻器過(guò)熱、輸入電壓過(guò)低、負(fù)載超速、功率單元異常等各種類型報(bào)警檢測(cè)功能,并完全具備對(duì)自身及電機(jī)的保護(hù)功能。

 ?。?)安全運(yùn)行保障:

  a 機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,由于各種原因發(fā)生廠用電切換,會(huì)造成控制電源消失,變頻器兩路電源可自動(dòng)切換。

  b 當(dāng)變頻器出現(xiàn)單元故障,變頻器可將故障單元旁路,并進(jìn)行“星點(diǎn)漂移”,避免不必要的停機(jī)。

  c 當(dāng)變頻器整體故障或控制電源消失或按下緊急停機(jī)按鈕時(shí),高壓變頻器高壓開(kāi)關(guān)跳閘,切斷電源,同時(shí)參與聯(lián)鎖。

 ?。?)系統(tǒng)的變頻風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻供電和電網(wǎng)供電相互切換運(yùn)行,可手動(dòng)切換,當(dāng)變頻器發(fā)生異常后,風(fēng)機(jī)仍需要運(yùn)行,這時(shí)可將電機(jī)切換到工頻電網(wǎng)起動(dòng)。

 ?。?)變頻風(fēng)機(jī)具有互鎖功能,確保同一電機(jī)不出現(xiàn)變頻、工頻同時(shí)驅(qū)動(dòng),具有完善的保護(hù)、報(bào)警功能(包括信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)在內(nèi))。

6現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及節(jié)能效果

  (1)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

  濟(jì)鋼燒結(jié)余熱發(fā)電自2010年7月份投產(chǎn)以來(lái)運(yùn)行良好。由于余熱發(fā)電項(xiàng)目是余熱回收現(xiàn)效益最大化,但在生產(chǎn)過(guò)程中首先保證燒結(jié)礦的冷卻質(zhì)量再談?dòng)酂峄厥铡_@就要求冷卻風(fēng)鼓風(fēng)量與引風(fēng)量有個(gè)良好的匹配問(wèn)題。在這個(gè)問(wèn)題上循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器發(fā)揮了重要作用。通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,來(lái)調(diào)節(jié)冷卻機(jī)的鼓風(fēng)量,使燒結(jié)礦冷卻效果良好同時(shí)又使發(fā)電量最大化。

 ?。?)節(jié)能效果

  在正常生產(chǎn)情況下,本臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行頻率在20-30Hz,高壓側(cè)輸入電流在45-70A。與同功率電機(jī)運(yùn)行狀況比較循環(huán)風(fēng)機(jī)節(jié)能效率大約為38%,節(jié)能效果十分明顯。

7結(jié)論

   近幾年,隨著雙壓、閃蒸發(fā)電和補(bǔ)汽蒸汽式汽輪機(jī)在技術(shù)上獲得突破,燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)已逐漸進(jìn)入成熟階段,同時(shí)其在節(jié)能環(huán)保、減少污染排放、經(jīng)濟(jì)效益等方面的顯著優(yōu)勢(shì)使得其發(fā)展迅速。燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)采用JD-BP38-1600F高壓變頻器,不但操作方便、維護(hù)量小,而且有明顯的節(jié)能效果。通過(guò)變頻對(duì)風(fēng)機(jī)(水泵)進(jìn)行控制,再次實(shí)現(xiàn)節(jié)能項(xiàng)目中的設(shè)備節(jié)能,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,值得大力推廣。