摘要：本文介紹了風(fēng)光高壓變頻器在漢源錦泰礦業(yè)有限公司沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機中的應(yīng)用情況?，F(xiàn)場運行情況表明，采用高壓變頻器對沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機進行調(diào)速節(jié)能，節(jié)能效果是明顯的。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器,沸騰焙燒爐,羅茨鼓風(fēng)機,節(jié)能

1用戶簡介

漢源錦泰礦業(yè)有限公司是一家股份制民營企業(yè)，具有日處理鉛鋅礦石4000噸，年產(chǎn)0號、1號鋅錠50000噸、硫酸62000噸、鋅焙砂54000噸，日處理電解鋅廢渣200噸的生產(chǎn)能力；總投資已達12億多元人民幣，已發(fā)展成集鉛鋅礦開采、浮選、焙燒制酸、冶煉和廢渣綜合利用為一體的集團化公司，是我國西部地區(qū)設(shè)備、工藝和技術(shù)較先進、產(chǎn)品質(zhì)量最好、生產(chǎn)能力較大、銷量較大的鉛鋅生產(chǎn)企業(yè)之一。漢源錦泰礦業(yè)有限公司有一座40m2沸騰焙燒爐，而羅茨鼓風(fēng)機又是沸騰焙燒爐的心臟設(shè)備，在2014年設(shè)備節(jié)能改造中，對羅茨鼓風(fēng)機采用變頻調(diào)速技術(shù)，取得了較好效果?，F(xiàn)場羅茨鼓風(fēng)機參數(shù)如下表1、表2所示。

2沸騰焙燒爐

2.1沸騰焙燒爐介紹

沸騰焙燒以流態(tài)化技術(shù)為基礎(chǔ)。固體顆粒在氣流的作用下，構(gòu)成流態(tài)化床層似沸騰狀態(tài)，被稱作流態(tài)化床或沸騰床。這樣礦石可在沸騰狀態(tài)下進行加熱還原，有利于提高焙燒礦質(zhì)量。焙燒過程有反應(yīng)熱放出，產(chǎn)生含有二氧化硫的氣體主要用來制造硫酸，礦渣則用作冶金原料。硫化礦沸騰焙燒技術(shù)是50年代初聯(lián)邦德國的巴登苯胺純堿公司和美國的多爾公司分別開發(fā)的。沸騰焙燒爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1結(jié)構(gòu)示意圖

沸騰焙燒爐爐體（見圖1）為鋼殼內(nèi)襯保溫磚再襯耐火磚構(gòu)成。為防止冷凝酸腐蝕，鋼殼外面有保溫層。爐子的最下部是風(fēng)室，設(shè)有空氣進口管，其上是空氣分布板?？諝夥植及迳鲜悄突鸹炷翣t床，埋設(shè)有許多側(cè)面開小孔的風(fēng)帽。爐膛中部為向上擴大的圓錐體，上部焙燒空間的截面積比沸騰層的截面積大，以減少固體粒子吹出。沸騰層中裝有廢熱鍋爐的冷卻管，爐體還設(shè)有加料口、礦渣溢流口、爐氣出口、二次空氣進口、點火口等接管。爐頂有防爆孔。

2.2沸騰焙燒爐工作原理

沸騰焙燒爐工作原理是利用流態(tài)化技術(shù)，是參與反應(yīng)或熱、質(zhì)傳遞的氣體和固體充分接觸，實現(xiàn)他們之間最快的傳質(zhì)，傳熱賀棟梁傳遞速度，獲得最大的設(shè)備生產(chǎn)能力。

（1）流化床的形成

當(dāng)流體的氣流速度繼續(xù)增大到一定值，床層開始膨脹和變松，全部顆粒都懸浮在向上流動的流體中，形成強力攪渾流動。這種具有流體的某些表觀特征的流-固混合床成為流化床。在氣-固流化床中，形成顆粒強烈翻滾，故又稱為沸騰床。

（2）流態(tài)化范圍與操作速度

從臨界速度開始流態(tài)化，到帶出速度下流化床開始破壞這一速度范圍成為流態(tài)化范圍。它是選擇操作流態(tài)化速度的上下極限。流態(tài)化范圍越寬，流化床的操作越穩(wěn)定。這一范圍大小可以用帶出速度與臨界速度的比來表示。理論和實際證明，顆粒月細則流態(tài)化范圍越小，不規(guī)則的寬篩分物料的流態(tài)化范圍比球形粒子的要小。

實際上多數(shù)工業(yè)流化床內(nèi)粒級分布較寬，所以合理的操作速度應(yīng)是絕大部分顆粒正常流態(tài)化而又不大于某一指定粒級的帶出速度。一般根據(jù)林杰流態(tài)化速度并利用流態(tài)化指數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定操作氣流速度。

3沸騰焙燒爐變頻節(jié)能原理

沸騰焙燒爐是利用流態(tài)化技術(shù)的熱工設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于鋅精礦的焙燒。它具有氣-固相間傳熱質(zhì)速度快、層內(nèi)溫度均勻、產(chǎn)品質(zhì)量好、沸騰層與冷卻水套之間傳熱系數(shù)大、生產(chǎn)率高、操作簡單、便于實現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化和自動化等優(yōu)點。

鋅精礦的主要物相組成為ZnS，約占70%以上。在沸騰焙燒爐內(nèi)焙燒時主要化學(xué)反應(yīng)式為：ZnS+O2→ZnO+SO2，該反應(yīng)屬放熱反應(yīng)，放出的熱量除用于維持爐內(nèi)的焙燒溫度，大部分由高溫?zé)煔饧袄鋮s水帶走。沸騰爐空氣需要量為20000Nm3/h。通過對沸騰爐層及管網(wǎng)阻力損失的計算，爐子正常生產(chǎn)時，空氣壓力為12500-13500Pa。但考慮到開爐及處理異常情況時的工藝要求，所選風(fēng)機的富裕量達50%以上，這樣使風(fēng)機的能力不能充分發(fā)揮。

由于沸騰爐羅茨鼓風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓的余量很大，正常工作時必須將其調(diào)至合理的工況，另外隨著爐子的產(chǎn)量和鋅精礦成分的變化，風(fēng)機的工況也須調(diào)整。為了調(diào)節(jié)送風(fēng)量在送風(fēng)管上放風(fēng)，調(diào)節(jié)范圍雖大，但浪費極大，風(fēng)機放空噪音很大，嚴重影響了周圍居民的生活；較好的辦法是采用變頻調(diào)速裝置。電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的，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，是電動機最為合理的調(diào)速方法。風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式為n＝60f/p（1-s），可見，通過調(diào)節(jié)電流頻率可調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從理論上講，風(fēng)機的流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此，調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速時可以調(diào)節(jié)風(fēng)機的流量、壓力，軸功率的變化就更明顯。

漢源錦泰礦業(yè)有限公司領(lǐng)導(dǎo)基于節(jié)約能源降低成本，和降低風(fēng)機運行噪音兩方面考慮，決定選用變頻器對原設(shè)備進行改造。經(jīng)過反復(fù)對比決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-450F（450kW/10kV）高壓變頻器對沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機進行變頻改造。

4新風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)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(biāo)遠小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn)，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。產(chǎn)品2003年被列為國家重點新產(chǎn)品，高壓提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)2005年被列為國家火炬計劃項目，獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目資助。2007年，高壓變頻器被評為中國名牌產(chǎn)品，是國內(nèi)高壓變頻器行業(yè)為數(shù)不多的兩個名牌產(chǎn)品之一。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(zhǔn)。

(2)矢量控制技術(shù)，通過測量和控制交流電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對交流電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制交流電動機轉(zhuǎn)矩的目的。啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負載能力強。

(3)快速飛車啟動功能。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。在變頻器受到負載沖擊保護后可對其自動復(fù)位，然后再自動啟動，即可避免重要場合（如水泥廠高溫風(fēng)機）變頻保護停機造成的損失?？焖亠w車啟動技術(shù)可實現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護狀態(tài)復(fù)位重新帶載運行。

(4)工頻/變頻無擾切換技術(shù)。現(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。

(5)電網(wǎng)瞬時掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間。

(6)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。

(7)振蕩抑制技術(shù)，電機輕載或者空載的時候會出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時電流幅值波動很大，電流的振蕩有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)因為過流或過壓而觸發(fā)保護。新風(fēng)光公司采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。

(8)多機主從控制技術(shù)，變頻器具備主從控制功能，多臺變頻器之間可通過數(shù)據(jù)總線組成主從控制網(wǎng)絡(luò)。將其中的一臺設(shè)為主機，其他設(shè)為從機，主機實時采集各從機的狀態(tài)信息，同時發(fā)送給各從機頻率、轉(zhuǎn)矩指令，實現(xiàn)各臺變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術(shù)適用于皮帶機、摩擦式提升機等需要功率平衡控制的場合。

(9)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術(shù)，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。避免電網(wǎng)波動對輸出電壓的影響。

(10)故障單元熱復(fù)位技術(shù)，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(fù)位，不必等變頻器停機。

（11）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。

（12）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。

（13）限流功能：當(dāng)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)。

（14）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(shè)定可以現(xiàn)場給定、通訊給定等支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能。

5高壓變頻器主回路控制方案

高壓變頻器設(shè)備安裝在風(fēng)機值班室內(nèi)，原高壓柜至電機的高壓電纜用做改造時電機至變頻器連接電纜，變頻器至高壓柜電纜重新敷設(shè)，同時敷設(shè)集控室至高壓變頻器的控制電纜用于變頻器的遠程控制，采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信號，實現(xiàn)設(shè)備的實時調(diào)節(jié)及信號反饋。此外還需敷設(shè)一根高壓柜至變頻器的控制電纜，用于高壓柜合閘允許和高壓柜緊急分閘控制。

一次接線如圖2所示。

圖2手動旁路柜

圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，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(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當(dāng)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(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)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(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)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。

保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

6焙燒爐風(fēng)機改造運行情況

沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機高壓變頻器2014年4月一次正式投入運行，至今運行正常。改造達到了預(yù)期目的。羅茨鼓風(fēng)機電機電流大大減小，風(fēng)機運行噪聲大大降低。變頻運行后，送風(fēng)管上防風(fēng)管關(guān)閉，根據(jù)焙燒爐生產(chǎn)量的大小，隨時調(diào)節(jié)羅茨鼓風(fēng)機的風(fēng)量大小，滿足生產(chǎn)沸騰爐的工藝要求，而且現(xiàn)場人員操作非常方便。

6.1節(jié)能計算

2014年5月漢源錦泰公司節(jié)能服務(wù)中心隨機對羅茨鼓風(fēng)機高壓變頻器進行了測試，記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表3，沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機工頻運行時，功率因數(shù)取0.8，電源電壓10.20kV，計算每小時耗電為：315.2kW。沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機變頻運行時，功率因數(shù)為0.97，變頻輸入電壓10.20kV，計算每小時耗電為：123.4kW。較工頻運行時每小時節(jié)約電量191.8kW。每年運行300d，每天運行24h，那么年節(jié)約電量：191.8kW×24h×300d=138.096萬kW•h。

通過以上變頻運行數(shù)據(jù)，在與生產(chǎn)工況基本相同的工頻運行相比，電機電流、消耗功率大大減小，節(jié)能效果是非常明顯的。

6.2間接效益

（1）提高控制精度，安裝變頻器后，引入壓力反饋信號，采用變頻器的PID閉環(huán)控制或DCS控制轉(zhuǎn)速自動保持生產(chǎn)所需風(fēng)壓，從而提高了壓力控制精度，而且與閥門相比更直觀，方便調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速來滿足生產(chǎn)需要。

（2）有效地改善了現(xiàn)場運行環(huán)境。采用變頻調(diào)速后，大大減少了風(fēng)機管道震動頻率和噪音。消除了風(fēng)機的旁路放空噪聲，解決了風(fēng)機擾民問題，改善了工人的工作環(huán)境。

（3）減少了維護工作量和維護費用，延長了設(shè)備的使用壽命。

由于采用了變頻調(diào)速技術(shù),電機啟動、調(diào)速平穩(wěn),不存在啟動電流沖擊,減少了羅茨鼓風(fēng)機出口壓力瞬間提高對風(fēng)機和電網(wǎng)的沖擊,而且羅茨鼓風(fēng)機和驅(qū)動電機都處于相對額定轉(zhuǎn)速較低的轉(zhuǎn)速上，因而其零部件的機械磨損減少,降低了維護費用，延長了風(fēng)機使用壽命。

7結(jié)束語

綜合看來，漢源錦泰礦業(yè)有限公司沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機采用高壓變頻器進行改造后，提高了沸騰焙燒爐風(fēng)機的運行效率，降低了鋅錠的生產(chǎn)成本，對保證沸騰焙燒爐的安全運行起著重要的作用。

參考文獻

[1]山東新風(fēng)光電子使用手冊[Z]山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司

作者簡介

徐西甲，技術(shù)支持工程師，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司。

張建忠，高級工程師，漢源錦泰礦業(yè)有限公司鋅焙砂廠廠長。