钢铁企业风机节能技术改造项目实例分析

蒋 森

（唐山钢铁设计研究院有限公司，河北唐山063000）

某钢铁企业建有炼铁550 m3高炉一座，高炉出铁厂除尘风机为800 kW三相异步电机，为了相应国家节能减排号召，厂方决定对风机进行节能改造。

1 现场情况

除尘风机输出功率不能随生产负荷变化而变化，只有通过改变风门、档板的开度来调整，这导致负载运行效率较低，并且有大量能量浪费在节流损失中。虽然高炉出铁厂除尘风机使用了液力耦合器调速，但由于液力耦合器运转效率比较低，维护工作量大，轴封、轴承等部件经常需要更换，致使大量能量以及人力、物力的浪费。具体存在着如下问题：

（1）调速范围有限为50%～95%，转速不稳定；

（2）调速越低时，效率越低，低速时发热厉害；

（3）调速精度低，线性度差，响应慢，不大适应自动控制要求；

（4）电机虽然可以不带载启动，但仍然有5倍左右的冲击电流，影响电网稳定；

（5）必须串入电机和机械的连接轴中，不适合于设备改造，液力耦合器故障时，没有工频旁路系统，负载机械将无法运转，必须停机检修。

2 系统解决方案说明

为了提高高炉出铁厂的生产效率、降低能耗以及系统的综合可靠性，拟采用全数字交流高压变频器实施控制。利用高压变频调速技术的改变设备的运行速度，以实现调节现场工况所需风压、风量的大小，大大提高系统的自动化程度，既满足生产要求，又达到了节约电能的目的。

一拖一系统成套设计方案，是变频器配带旁路的典型方案。原理是由3个高压开关QS1、QS2和QS3和高压开关QF、电动机M组成（见图1）。要求QS2和QS3之间存在机械互锁逻辑，不能同时闭合。变频运行时，QS3断开，QS1和QS2闭合；工频运行时，QS1和QS2断开，QS3闭合。高压开关QF、电动机M为现场原有设备。

图1 一拖一系统成套设计方案

采用利德华福完美无谐波系列高压变频器。该系列变频采用若干个低压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，就可以使用原有的普通异步电机，不需要更换电机。

采用高压变频调速控制后，采用开闭阀门与除尘风机转速调节相结合的控制方式。由于生产工艺的要求，除尘风机需要在炼铁时停止除尘，在出铁时开始除尘。因此，变频调速装置在炼铁时低速运行，出铁时高速运行。当所有的出铁口烟尘扑集罩阀门全部打开时，风机以最高转速运行，其他情况在保证每一烟罩除尘效果的前提下，根据烟罩阀门的开、关情况自动调节风机转速，尽量降低风机转速，则可达到节约电能的目的。

3 方案应用预期效果

3.1 节能分析

（1）现场工况及负载技术数据（见表1）。

（2）工频状态下的耗电量计算。

Pd为电动机功率；

Cd为年耗电量值；

U为电动机输入电压；

I为电动机输入电流；

表1 出铁厂除尘风机运行参数表

cos φ为功率因子；

T为年运行时间；

δ为单负荷运行时间百分比。

根据式（1）、式（2），通过计算，可得出工频情况下各负载的耗电量如表2。

表2 工频情况下各负载的耗电量表

综合高速、低速运行的时间，计算出平均工频运行功率如表3。

表3 平均工频运行功率表

（3）变频状态下的年耗电量计算。对于风机负载（系统变频改造前有液耦调速设备）计算如下：

因为不管是用液耦调速还是变频调速，所需要的风机轴功率是相同的，得出公式

其中，

Pd为液耦时工频功耗；

Pb为变频时功耗；

P'为风机轴功率；

ηd为电机效率；

ηy为液耦效率；

ηb为变频器效率。

由液力耦合器的运行特性可知，

其中，

n'为风机实际转速；

n0为电机额定转速。

累计年耗电量公式

其中，

Cb为年耗电量值；

Cb为变频时功耗；

T为年运行时间；

δ为单负荷运行时间百分比。

变频器的效率曲线可从图2中查出。

图2 变频器的效率曲线

根据算式（3）、（4）、（5），通过计算可得出变频情况下各负载的耗电量如表4。

表4 变频情况下各负载的耗电量

根据加权时间得出设备在变频调速下运行的平均功率如表5。

表5 在变频调速下运行的平均功率表

（4）节能计算。

变频改造后，根据算式（6）、式（7），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6。

表6 除尘风机年节电数据表

（5）投资回收期。

3.2 应用高压变频调速系统产生的其他效果

（1）维护量减少。采用变频调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速，使系统在接近额定状态下工作。通常情况下，变频调速系统的应用，主要是为了降低电机的转速。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件的寿命；同时极大地减轻了对管道的冲击，有效延长了管道的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。

（2）工作强度降低。由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

（3）减少了对电网的冲击。采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效延长了电机的使用寿命。

4 结束语

通过使用高压变频装置，圆满完成了出铁厂风机的节能改造，系统已经可靠运行6个月，节能效果显著，受到了用户肯定和好评，同时也为其他钢铁企业风机类负载的节能改造提供借鉴。

[1]王占奎，胡建非，马洪顺，等．从茂名石化和大庆新华电厂看高压大容量变频调速装置的应用［J］．电气传动，1999，（6）：12-13.

[2]王惠君，贾 伟.高压变频器在给水泵电机上的应用及节能分析[J].有色冶金节能，2006，（6）：63-64.

[3]马小亮.变频器的应用及市场[J].电工技术,2002,(10):22-23.