KKK風(fēng)機(jī)變頻改造的應(yīng)用與實(shí)踐

胡慶保

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

硫酸車間SO2風(fēng)機(jī)是制酸工序的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)制酸四系列SO2風(fēng)機(jī)(額定功率2050kW)于2011年投入使用，設(shè)備在使用中主要存在以下情況：

（1）電機(jī)采用直接啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊。該風(fēng)機(jī)采用直接啟動(dòng)方式，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)及電機(jī)相連的機(jī)械部分軸與齒輪都會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，使得電機(jī)系統(tǒng)機(jī)械磨損加劇，從而導(dǎo)致系統(tǒng)各機(jī)械部件及電機(jī)使用壽命的降低，而直接啟動(dòng)時(shí)的大電流也會(huì)使電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生較高溫度，進(jìn)一步加劇系統(tǒng)各機(jī)械零部件的磨損，在2013年就因風(fēng)機(jī)軸承箱溫度過高而開蓋檢修。

（2）能耗。由于工藝對(duì)風(fēng)量的要求變動(dòng)較大，而只能通過調(diào)節(jié)前導(dǎo)葉來控制風(fēng)量，造成了一直處在工頻運(yùn)行的電機(jī)浪費(fèi)了大量電能。

2 二氧化硫風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1 工頻運(yùn)行狀態(tài)

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，二氧化硫風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)入口導(dǎo)葉只開了一部分，由于采用導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，大部分能量都被導(dǎo)葉消耗，其開度越小消耗的能量就越多。在一般情況下采用導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)其實(shí)際消耗功率與風(fēng)量大致成正比，與導(dǎo)葉的開度也大致成正比［1］。

歸納其具有以下特點(diǎn)：

（1） 風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量只是額定風(fēng)量的一部分，風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)離額定點(diǎn)運(yùn)行，其實(shí)際運(yùn)行效率很低。

（2）由于導(dǎo)葉的存在，導(dǎo)葉前后存在壓差，消耗了部分能量。

（3）因?qū)嶋H所需風(fēng)量低于額定風(fēng)量，風(fēng)機(jī)在配備電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)的功率有。

導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方式雖然簡(jiǎn)單易行，并已成為習(xí)慣，但它是以增加管網(wǎng)消耗、耗費(fèi)大量能源為代價(jià)的。當(dāng)采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)，其效率最高，因?yàn)轱L(fēng)量隨轉(zhuǎn)速的一次方下降，而其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方下降，目前最優(yōu)方案就是采用交流變頻調(diào)速控制技術(shù)［2］。

2.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

表1 四系列KKK風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)

3 改造方案

3.1 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的改造方案

（1）電氣改造內(nèi)容：①由于系統(tǒng)對(duì)連續(xù)運(yùn)行安全性能要求較高，為了便于日常維護(hù)及故障應(yīng)急處理，故采用中壓變頻器外加工頻旁路的方案。②利用原電機(jī)啟動(dòng)斷路器柜作為整個(gè)系統(tǒng)的總電源柜，整個(gè)系統(tǒng)的綜保裝置利用原電源柜的綜保裝置。③增加中壓變頻器及變頻器進(jìn)、出線斷路器柜，柜內(nèi)不設(shè)綜保裝置。開關(guān)柜與變頻器一起安裝于風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)，并為其搭建一間變頻器配電室。運(yùn)行時(shí)房間封閉，內(nèi)置空調(diào)，采用內(nèi)循環(huán)散熱。

（2）DCS 改造內(nèi)容：DCS具有對(duì)新增的開關(guān)柜與變頻器的監(jiān)示與控制功能，并增加通訊與輸入輸出模塊。

3.2 節(jié)能原理分析

采用變頻調(diào)速方法節(jié)能的原理是基于風(fēng)量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：

式中:Q——風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比；

H——壓力與轉(zhuǎn)速的2次方成正比；

P——軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比 (粗略計(jì)算P=HQ/102) ；

T——轉(zhuǎn)矩；

n——轉(zhuǎn)速。

圖1 風(fēng)機(jī)工作特性圖

風(fēng)機(jī)的工作介質(zhì)是氣體， 工藝上的應(yīng)用通常是調(diào)節(jié)風(fēng)量， 風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行， 正常工作點(diǎn)為A， 風(fēng)門關(guān)小， 風(fēng)阻特性曲線由曲線2移至曲線4， 工作點(diǎn)移至B點(diǎn)， 風(fēng)壓為H2， 消耗功率與面積OQ2BH2成正比。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速， 風(fēng)門全開， 轉(zhuǎn)速減少后， 風(fēng)壓特性由曲線 1 移至曲線 3， 工作點(diǎn)移至 C 點(diǎn) ， 風(fēng)壓為 H3， 消耗功率與面積OQ2CH3成正比。對(duì)比以上兩者可知，節(jié)約功率與面積H3CBH2成正比?？梢姡?jié)能效果相當(dāng)可觀［3］。

4 變頻器的改造設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主回路

如圖2。原系統(tǒng)采用的直接啟動(dòng)及運(yùn)行方式將被變頻器啟動(dòng)及運(yùn)行方式所取代，考慮到系統(tǒng)對(duì)連續(xù)運(yùn)行安全性能要求較高，為了便于日常維護(hù)及故障應(yīng)急處理，采用了中壓變頻器外加工頻旁路的方案。

圖2 變頻改造主回路

4.2 電氣改動(dòng)

（1）利用原電機(jī)啟動(dòng)斷路器柜作為旁路斷路器柜，旁路柜的主回路接線和綜保設(shè)定保持不變，啟?？刂撇糠中枳錾倭啃薷摹?/p>

（2）增加變頻器輸入斷路器柜，安裝于現(xiàn)場(chǎng)。

（3）增加變頻器出線斷路器柜，安裝于現(xiàn)場(chǎng)，可于變頻器安裝在一起。柜內(nèi)不需要綜保裝置。

（4）增加中壓變頻器，采用AB品牌的PF7000系列變頻器。

4.3 高壓變頻器主要特點(diǎn)

單元串聯(lián)多電平直接高壓變頻器主要有以下特點(diǎn)：

（1）一體化設(shè)計(jì)，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單；

（2）無須更改原有電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)工頻切換；

（3）不需另加升壓變壓器、輸人濾波器、輸出濾波器，電抗器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和緩沖電路等附加電路;

（4）諧波污染極小，對(duì)周圍設(shè)備無電磁干擾;（5）功率因數(shù)高、效率高;

（6）各類保護(hù)完善，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠［4］。

4.4 變頻改造后可能會(huì)遇到的改造問題

采用變頻模式與原方式最大的不同就是風(fēng)機(jī)和電機(jī)速度可變，因?yàn)樵O(shè)計(jì)有些設(shè)備對(duì)運(yùn)行轉(zhuǎn)速有一定要求，變頻改造后有可能會(huì)出現(xiàn)問題，需要同時(shí)進(jìn)行整改：

（1） 風(fēng)機(jī)的潤(rùn)滑油系統(tǒng)：

風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)主油泵連接于風(fēng)機(jī)主軸，風(fēng)機(jī)慢速工作時(shí)，會(huì)造成主油泵供油不足。此時(shí)輔助油泵將不在僅用于風(fēng)機(jī)啟停時(shí)，也將用于風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行狀態(tài)。而判斷的條件應(yīng)該是潤(rùn)滑油壓。目前系統(tǒng)標(biāo)配一臺(tái)輔助油泵，為確保設(shè)備安全順行，需要增加一臺(tái)備用泵。

（2）電機(jī)的散熱及潤(rùn)滑:

電機(jī)的風(fēng)扇安裝于電機(jī)主軸，電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)可能造成風(fēng)扇風(fēng)量不足，因此電機(jī)散熱問題取決于電機(jī)工作的速度區(qū)間。在不對(duì)電機(jī)內(nèi)部散熱進(jìn)行修改的前提下，可以先調(diào)節(jié)前導(dǎo)葉，使電機(jī)工作在相對(duì)的高速的區(qū)間，以滿足散熱要求。如果散熱仍無法滿足，可以考慮對(duì)電機(jī)作散熱的物理改造。電機(jī)潤(rùn)滑為自供給系統(tǒng)，也依賴于電機(jī)的高速運(yùn)行狀態(tài)，為了滿足低速運(yùn)行要求，可以將風(fēng)機(jī)輔助潤(rùn)滑系統(tǒng)同時(shí)接入電機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)。

新增加的變頻器控制部分將接入到DCS，由DCS系統(tǒng)控制。DCS 系統(tǒng)程序?qū)?huì)增加更多功能，既要兼容旁路運(yùn)行導(dǎo)葉調(diào)節(jié)模式，也需要實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)為主，導(dǎo)葉調(diào)節(jié)為輔的工作模式。

（3）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)出口管道壓力及氣流的變化，這也是可能需要前導(dǎo)葉配合的原因，具體操作模式的制定，還需要工藝系統(tǒng)的工程師進(jìn)行分析和處理［5］。

5 DCS信號(hào)調(diào)試

5.1 風(fēng)機(jī)原有信號(hào)

風(fēng)機(jī)原設(shè)計(jì)為直接啟動(dòng)，直接由配電室QF0合閘來啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)與DCS之間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)如下：

（1） 緊急停車信號(hào)：安裝在中控室，由硬線連接緊急停車按鈕和QF0，按下緊急停車按鈕后直接將QF0分閘。

（2）DCS連鎖信號(hào)，由硬線連接DCS和QF0，當(dāng)發(fā)生工藝連鎖或風(fēng)機(jī)溫度、振動(dòng)、油壓連鎖，立即由DCS發(fā)信號(hào)將QF0分閘。

（3）風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)，由硬線連接QF0和DCS，將QF0的合閘信號(hào)直接傳給DCS，使用常開觸點(diǎn)。用于判斷風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行，參與全廠連鎖。

5.2 風(fēng)機(jī)變頻改造后信號(hào)

除原邏輯、信號(hào)保留外，另外新增了以下聯(lián)絡(luò)信號(hào):

（1）新增DCS連鎖信號(hào)至變頻器，由硬線連接DCS和變頻器當(dāng)發(fā)生工藝連鎖或風(fēng)機(jī)溫度、振動(dòng)、油壓連鎖，立即由DCS發(fā)信號(hào)停止變頻器。

（2）變頻器故障、運(yùn)行信號(hào)，由硬線連接變頻器和DCS，信號(hào)反應(yīng)在DCS畫面中，僅用于顯示，未參與程序。

（3）變頻器緊急停車按鈕，安裝在中控室，由硬線連接緊急停車按鈕和變頻器，按下緊急停車按鈕后直接將變頻器停止。

6 節(jié)能分析

風(fēng)機(jī)經(jīng)過2016年年修中的優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)了完全的變頻調(diào)速，即入口導(dǎo)葉開至100%，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量。具體節(jié)能情況如下：

6.1 未安裝變頻器運(yùn)行

由表2可以看出，在沒有安裝變頻器的情況下，2015年3月23日至2015年12月31日，共283天，共耗電950萬kW·h。

平均每天耗電量為：

平均每月耗電量為：

表2 2015年風(fēng)機(jī)運(yùn)行消耗電能

6.2 變頻運(yùn)行后

由表3可以看出，在變頻運(yùn)行模式下，2016年12月1日至2017年1月5日共計(jì)35天，共耗電98.96萬kW·h。

平均每天耗電量為：

平均每月耗電量為：

根據(jù)計(jì)算，目前該風(fēng)機(jī)每天可節(jié)電3.3569-2.8275=0.5294萬kW·h，每年（360天）可節(jié)電0.5294*360=190.584萬kW·h。

表3 2016年調(diào)頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行消耗電能

7 結(jié)束語

變頻器調(diào)速不僅具有良好的可靠性、較寬的調(diào)速范圍且調(diào)速曲線平滑能滿足工藝要求，較小的啟動(dòng)電流亦可以減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。變頻系統(tǒng)各種保護(hù)功能可靠，從而消除了因電機(jī)過載或單相運(yùn)行而燒毀電機(jī)的現(xiàn)象，確保了安全運(yùn)行。改造后，精簡(jiǎn)了控制程序，使操作更加方便，提高了生產(chǎn)效率，從而達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。其綜合效益是特別明顯的。