摘要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓變頻器在濟(jì)鋼集團(tuán)煉鐵廠循環(huán)風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用情況，闡述了變頻調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)機(jī)理、功能及特點，對節(jié)能效果進(jìn)行了分析。從全新的角度，詮釋了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)與現(xiàn)場DCS系統(tǒng)的高效對接，提高了燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)的自動化性能。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng)燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電

1 引言

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，能源消耗量約占全國工業(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，長期以來得不到有效利用。隨著國內(nèi)燒結(jié)機(jī)面積不斷的擴(kuò)大，燒結(jié)礦生產(chǎn)效率越來越高，其在冷卻過程中產(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。國內(nèi)自主設(shè)計、制造的燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電機(jī)組也發(fā)展起來。

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)過凈化后作為點火爐的助燃空氣或用于預(yù)熱混合料，以降低燃料消耗，這種方式較為簡單，但余熱利用量有限，一般不超過煙氣量的10%；二是將廢煙氣通過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)計發(fā)電能力14000kW。由一臺Q334（272）/450（330）-55.5(14)-2.35(0.3)/400（210）雙壓余熱鍋爐和一臺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

通過引風(fēng)機(jī)將帶冷機(jī)1號、2號煙囪的煙氣引出，混合后進(jìn)入高效余熱鍋爐，加熱鍋爐內(nèi)的水產(chǎn)生過熱蒸汽和低壓飽和蒸汽，供給汽輪機(jī)發(fā)電。但是在這個過程中引風(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)(使用沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠F32型鼓風(fēng)機(jī))一臺，配套西安西瑪YJTKK7105-6(10kV/1600kW)變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)一臺，啟動方式采用變頻啟動。引風(fēng)機(jī)排出的煙氣經(jīng)過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，同時提高環(huán)冷機(jī)排煙溫度。

燒結(jié)余熱發(fā)電是一項將燒結(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

一般異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為：n1＝60f/p

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

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

針對某一電動機(jī)而言p是一定的，而通過改變s進(jìn)行調(diào)速空間非常小，所以變頻調(diào)速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速是異步電動機(jī)的最為合理的調(diào)速方法。

若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機(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，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)最主要的調(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，如調(diào)節(jié)風(fēng)門（閥門）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(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，當(dāng)風(fēng)機(jī)（水泵）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——額定轉(zhuǎn)速

n′——實際轉(zhuǎn)速

P——額定轉(zhuǎn)速時電機(jī)功率

T——工作時間

可見，通過變頻對風(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)過大量的技術(shù)論證，并且對目前高壓變頻器市場充分考查后，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

通過對循環(huán)風(fēng)機(jī)動力系統(tǒng)的研究、分析，綜合其中存在的問題，以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，提供最佳性價比方案”的原則對系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計，決定采用一拖一手動方案。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為用戶原高壓開關(guān)；

K1、K2和K3為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)；

BPQ為風(fēng)光JD-BP38-1600F高壓變頻器；

M為高壓電動機(jī)。

變頻器控制風(fēng)機(jī)為一拖一控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。K1，K2和K3為3個高壓隔離開關(guān)，要求K2和K3不能同時閉合，在機(jī)械上實現(xiàn)互鎖的同時實現(xiàn)電磁互鎖。K2斷開，K1和K3閉合，風(fēng)機(jī)變頻運行；K1和K3斷開，K2閉合，風(fēng)機(jī)工頻運行。

5.3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）電機(jī)拖動風(fēng)機(jī)可實現(xiàn)軟起動和軟停止。

（2）可實現(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。

（3）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、開關(guān)量等信號，變頻器輸出的模擬量、開關(guān)量信號全部進(jìn)入DCS系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，同時實現(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)方手動方式，在這種工作方式下，操作員通過DCS系統(tǒng)的CRT手動給定信號，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)工況運用相關(guān)算法進(jìn)行運算，得出相應(yīng)風(fēng)壓值，轉(zhuǎn)換成對應(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)到自動調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。

（5）信息傳遞：變頻器可以實現(xiàn)與機(jī)組DCS系統(tǒng)的雙向信息傳遞，可完成自診斷、報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4～20mA電流源模擬量輸出。提供的開關(guān)量有：變頻器報警及故障信息、啟停狀態(tài)信息、高壓開關(guān)控制信號（高壓合閘允許、高壓開關(guān)緊急分?jǐn)啵┑取Ｗ冾l器接收的DCS的模擬量信號為遠(yuǎn)控轉(zhuǎn)速給定，開關(guān)量為遠(yuǎn)方啟/停、高壓就緒信號等。

（6）完備的保護(hù)功能：變頻器內(nèi)保護(hù)配置齊全，有運行中開門、冷卻風(fēng)扇停運、變頻器過熱、輸入電壓過低、負(fù)載超速、功率單元異常等各種類型報警檢測功能，并完全具備對自身及電機(jī)的保護(hù)功能。

（7）安全運行保障：

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

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，高壓變頻器高壓開關(guān)跳閘，切斷電源，同時參與聯(lián)鎖。

（8）系統(tǒng)的變頻風(fēng)機(jī)實現(xiàn)變頻供電和電網(wǎng)供電相互切換運行，可手動切換，當(dāng)變頻器發(fā)生異常后，風(fēng)機(jī)仍需要運行，這時可將電機(jī)切換到工頻電網(wǎng)起動。

（9）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、工頻同時驅(qū)動，具有完善的保護(hù)、報警功能（包括信號檢測系統(tǒng)在內(nèi)）。

6 現(xiàn)場應(yīng)用及節(jié)能效果

（1）現(xiàn)場應(yīng)用情況

濟(jì)鋼燒結(jié)余熱發(fā)電自2010年7月份投產(chǎn)以來運行良好。由于余熱發(fā)電項目是余熱回收現(xiàn)效益最大化，但在生產(chǎn)過程中首先保證燒結(jié)礦的冷卻質(zhì)量再談余熱回收。這就要求冷卻風(fēng)鼓風(fēng)量與引風(fēng)量有個良好的匹配問題。在這個問題上循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器發(fā)揮了重要作用。通過變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(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又使發(fā)電量最大化。

（2）節(jié)能效果

在正常生產(chǎn)情況下，本臺循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器運行頻率在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。通過變頻對風(fēng)機(jī)（水泵）進(jìn)行控制，再次實現(xiàn)節(jié)能項目中的設(shè)備節(jié)能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，值得大力推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧紅軍，周長強(qiáng).濟(jì)鋼320燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)簡介

[2]高壓提升變頻器用戶手冊.山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司.

作者簡介：

李振玉電氣工程師現(xiàn)供職于濟(jì)鋼煉鐵廠長期從事電氣自動化設(shè)備管理維護(hù)工作。

徐長海電氣工程師現(xiàn)供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司技術(shù)支持部。

文章聯(lián)系人：郭培彬

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