方大特钢炼钢厂80万除尘风机变频节能改造方案设计

摘 要：方大特钢炼钢厂80万除尘系统目前使用液力耦合器启动，该除尘风机耗能量较大，且输出功率不能自动调整以适应生产负荷的变化，只能通过手动调整，这样无疑降低了负载运行效率，进而在节流损失中浪费了大量能源。该文中的几种技术方案主要针对方大特钢炼钢厂节能改造的要求，系统地阐述了高压变频技术设计方案，并就方案应用后的预期效果进行了表述，以期为除尘风机的变频改造提供参考依据。

关键词：除尘风机 改造方案 节能 变频器

中图分类号：TM344 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0088-02

为响应国家号召、实现单位节能降耗、提高炼钢系统的生产效率和安全可靠性，炼钢厂二次除尘风机拟采用全数字交流高压变频器作为驱动系统。变频器是电机调速的主要装置，高压变频调速系统直接串联于高压电源与高压电机之间，因现场改造、安装方便及良好的调速和节能性能，在冶金行业的节能改造项目中得到了越来约广泛的应用。应用高压变频调速技术可以大大提升系统的自动化程度、减少因调节挡板和管道而导致的挡板和管道磨损、降低常停机检修所带来的经济损失，这样既可以满足生产需求，又可以节约电能，同时还可以减少维护成本，从而达到通过改变设备运行速度来调节现场所需风压、风量的大小，同时增创炼钢厂效益的最终目的。

1 方案设计目的

该技术方案主要针对方大特钢炼钢厂节能改造的要求，系统地阐述了高压变频技术设计方案，以便于进行变频改造。

方大特钢炼钢厂80万除尘风机参数（见表1）――目前为液耦调速运行（共1台）。

2 系统方案设计

2.1 系统主回路控制方案

该方案是手动旁路的典型方案。原理是由3个高压隔离开关QS41、QS42和高压开关QF、电动机M组成（见图1）。变频运行时，QS41和QS42闭合。高压开关QF、电动机M为现场原有设备。在检修变频器时，有明显断电点，能够保证人身安全，同时也可手动使负载投入工频电网运行。改造时，将高压变频器串联进现有高压开关柜与高压电机之间，正常工作时采用变频回路，QS1和QS2闭合。

对于设备配套的相应高压变频器，采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，不需要更换电机。

2.2 变频器系统控制方案

2.2.1 系统控制方案

在母管上新增测压点，能较为准确地提供一个母管压力值（此为4～20 ma信号）给变频器，变频器采用闭环控制方式，可根据预先设定的系统风道所需压力，进行自动的升降速的调整。例如，两台LF炉没有炼钢的时候，除尘阀门均关闭系统压力会升高，变频器接收到这个信号后，可自动调整降低运行频率，使系统达到设定的压力值。这样既可满足现场除尘的需要，又能够节省大量的电能。

高压变频器和现场PLC控制系统硬接线连接的接口如下。

（1）需要提供的开关量输出6路：①变频器待机状态：表示变频器已待命，具备启动条件；②变频器运行状态：表示变频器正在运行；③变频器控制状态：节点闭合表示变频器控制权为现场远程控制，节点断开表示变频器控制权为本地变频器控制；④变频器轻故障：表示变频器产生报警信号；⑤变频器重故障：表示变频器发生重故障，立即关断输出切断高压；⑥电机在工频旁路：表示电动机处于工频旁路状态。以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为AC220 V、3 A/DC24 V，1 A。

（2）变频器需要提供的模拟量2路：①变频器输出转速。②变频器电机电流：变频器提供2路4～20 mADC的电流源输出（变频器供电），带负载能力均为250 Ω。

（3）需要提供给变频器的模拟量1路：变频器转速给定值。现场提供1路4～20 mADC二线制电流源输出，带载能力必须>250 Ω，4～20 mADC对应转速低高限，须呈线性关系。

（4）需要提供给变频器的开关量有2路：①启动指令：干接点，3 s脉冲闭合时有效，变频器开始运行。②停机指令：干接点，3 s脉冲闭合时有效，变频器正常停机。

2.2.2 变频器与现场电源开关柜接口

（1）变频器给高压开关柜的有2路：①高压紧急分断：变频器出现重故障时，自动分断高压开关，闭点有效；②高压合闸允许：变频器自检通过或系统处于工频状态，具备上高压条件，闭点有效。以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为DC220 V，3 A。

（2）高压开关柜给变频器的状态信号1路：高压开关分闸信号。高压开关处于分断时，辅助节点闭合；1个。

因80万除尘风机在远方操作室有上位机监控，变频器的操作监控均可以实现进行远方变频监控。

2.3 原液耦调速方式改造方案

拆除原液耦，电机往前移。

3 方案应用预期效果

3.1 节能分析

3.1.1 现场工况及负载技术数据

80万除尘风机运行参数：实际运行电流180A，实际运行电压6 kV，实际运行功率因数0.87，风机转速960 r/min，年运行时间8000 h，年平均电价0.7元/度。

3.1.2 工频状态下的耗电量计算

电机耗电功率计算公式：Pd=×U×I×cosφ①

累计年耗电量公式：Cd=T×∑（Pd×δ）②

Pd：电动机功率；Cd：年耗电量值；U：电动机输入电压；I：电动机输入电流；cosφ：功率因子；T：年运行时间；δ：单负荷运行时间百分比。

通过计算可得：设备工频运行功率1708 kW；年耗电量13664000度，年耗电费9564800元。

3.1.3 变频状态下的年耗电量计算

虽然二次除尘风机采用液耦运行，但是实际情况是液耦并没有根据现场工况进行调速，而是稳定在85%的开度一直运行。这样的话在两台精炼炉非冶炼期间（约为整个所有周期的三分之一时间）有两个出风口关闭的时候，也会产生电能的浪费。所以变频改造后，利用变频器的自动调整，节能共有两个部分组成。

（1）对比液耦时变频器的耗电量，计算如下：

③

其中为液耦时工频功耗；为变频时功耗；为风机轴功率；为电机效率； 为液耦效率；为变频器效率。

由液力耦合器的运行特性可知，

④

其中为风机实际转速，为电机额定转速。

累计年耗电量公式：Cb=T×∑（Pb×δ）⑤

其中，Cb：年耗电量值；为变频时功耗；T：年运行时间；δ：单负荷运行时间百分比。

（2）对于风量减小时，变频器的耗电量计算如下：

计算公式：⑥；

网侧消耗功率：⑦

累计年耗电量公式：Cb=T×∑（Pb×

δ） ⑧

P'：风机实际轴功率；P0：风机额定轴功率；Cb：年耗电量值；'：风机实际流量；0：风机额定流量；H'：风机出、入口压力差；H0：风机额定风压；T：年运行时间；δ：单负荷运行时间百分比。

根据计算公式③～⑧，可得出变频情况下负载的耗电量，如表2。

3.1.4 节能计算

年节电量：ΔC=Cd-Cb⑨；

节电率=（ΔC/Cd）×100%⑩

根据公式⑨⑩，可计算出各负载上变频后与工频相比每年的节电情况，如表3。

3.2 其他预期效果

3.2.1 降低了维护成本

实现变频节能改造后，不管是何种工艺条件，都能够自动调整转速以适应系统工作的额定状态。一般来讲，变频节能改造方案的设计目的是降低电机转速，电机转速的降低可以延缓启动时间，延长各零部件的使用寿命，并且可以明显降低电机冲击，减少电机检修的频率，与之相应的，也节约了大量的检修开支，明显降低了检修维护的成本。

3.2.2 减小了工作强度

改造后的变频调速系统在运转和备用设备之间建立了计算机联锁控制，机组操作工作摆脱了手动操控，实现了无人操作，系统可自动运行、自动保护、自动检测、自动报警等，明显节省了人力资源，减少了工作强度，提高了生产效率。

3.2.3 延长了电网寿命

实现变频节能改造后，系统启动方式转变为软启动，这种方式会使启动电流明显低于额定电流，这样就会延长系统启动时间，进而明显降低了电网的冲击和电机的机械损伤，同时延长了电网和电机的使用寿命。

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