高压变频调速技术在SO2风机中的应用

姚广荣

(吉林吉恩镍业股份有限公司, 吉林 磐石 132311)

电力节能

高压变频调速技术在SO2风机中的应用

姚广荣

(吉林吉恩镍业股份有限公司, 吉林 磐石 132311)

分析了某硫酸厂SO2风机运行工况及能耗状况，介绍了高压变频器在风机应用中的节电效果，说明了在SO2风机频率确定中需要考虑的问题如系统的润滑、散热要求、传动效率和喘振现象。风机经高压变频改造后节能及运行效果显著。

风机； 运行工况； 高压变频； 节能改造

0 前言

在工业企业中需要大量使用风机，其中大部分风机需要根据不同的工艺情况调节风的流量和压力，以往的压力和流量的调节主要是通过调节管道上的阀门开度来实现的，由于要克服阀门的阻力等造成了大量的能源浪费。即使是不需要调整流量或压力的风机，由于与之配套的电动机的功率都比实际需要的大，所以电动机也不是在额定功率下运行，存在电能浪费现象。

1 硫酸厂SO2风机工况及能耗状况

硫酸厂转化SO2风机是硫酸生产中的关键设备，它负责将冶炼生产中产生的SO2烟气在经过高效洗涤塔和干燥塔除去杂质和水分后送入转化器；同时调节转化器传化率以及干吸塔吸收率。并通过控制使烟气吸收达到标准，防止烟气外泄，污染环境。

硫酸厂SO2高压风机额定运行流量为75 000 m3/h，转速6 305 r/min。驱动电机为高压三相异步四级电机，额定功率1 800 kW，额定电压：6.3 kV，额定电流196.3 A，电机额定转速1 480 r/min，起动方式为直起。风机润滑为强迫润滑，油压：0.01～0.08 bar，配有辅助油泵用于启动润滑。风机配有在线振动监测。风机散热主要依靠自身转子尾部带的风叶给自身降温。电机配有DCS控制系统。其中风机风量控制由阀门的开启大小来调节。

2010年SO2高压转化风机运行时平均运行流量为52 500 m3/h左右，导叶片开度25%左右；当烟气流量变动时，由人工调整导叶片开度，以达到相关要求。由于阀门体积较大，且离地面2.5 m，所以现场工人劳动强度大，且响应速度慢，时常造成烟气外泄，污染环境，被当地居民投诉。

电机恒转速运行，平均运行电流为93～110 A；电压为6 180～6 370 V；功率因数为0.86左右；平均功率1 014 kW左右。年耗电量为800多万千瓦时，占硫酸厂2010年全年耗电量的50%以上。

2011年能源审记时现场测试，风机的能源利用效率只有43%左右，属非经济运行状态,被要求限期整改。

2 高压变频器工作原理

风机类负载设备的工作特性曲线如图1。

图1 风机类负载设备的工作特性曲线

曲线①、②分别为负载按转速N1、N2工作时的特性曲线，③、④为管网的阻力曲线。

在第一种负载工况下，用挡板将流量从Q1调节为Q2时，压力将由H1上升到H3，负载工作点从A点移到B点。管网阻力曲线由③变为④。负载功率由

PA=H1×Q

(1)

变为

PB=H3×Q2

(2)

PB比PA实际减小有限。同时由于压力由H1升高到H2，对管网和阀门的密封性能形成威胁和破坏。

如果不采用挡板调节，改用调节负载速度来减小流量，负载按速度N2运行，工作特性曲线为②，管网阻力曲线不变仍为③，当流量仍为Q2时，负载工作在C点，但压力为H2，远远小于H3，负载功率为

PC=H2×Q2

(3)

相比B、C两点，负载减少的轴功率为：

ΔP=PB-PC=(H3-H2)×Q2

(4)

在风道阻力特性不变的情况下，离心式风机的风量Q、压力H、轴功率P和转速N之间满足如下关系：

PA/PC=(N1/N2)3

(5)

通过以上分析可以看出，在不考虑传动效率的情况下，可以通过调节风机转速来改变风机风量，风机的轴功率将以三次方的幅度下降，见表1。

表1 速度降低后的理论节能表 单位：%

根据风量调整风机的转速可按下式确定：

N=60F(1-S)/P

(6)

式中：N——电动机的输出转速；

F——输入的电源频率；

S——电动机的转差率；

P——电机的极对数。

对于电机而言，P是不变的，S一般比较小(0～0.05)。电机的输出转速约与电机的频率成正比。因此可能通过调节电机的供电频率F，就可改变电机的实际转速。电机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差增加，所以电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。

高压变频器是一种串联叠加性高压变频器，即采用多台单相三电平逆变器串联连接，输出可变频变压的高压交流电。

变频器本身由变压器柜、功率柜、控制柜三部分组成。三相高压电经高压开关柜进入，经输入降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电，功率单元分为三组，一组为一相，每相的功率单元的输出首尾相串。主控制柜中的控制单元通过光纤对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆变控制与检测，这样根据实际需要通过操作界面进行频率的给定，控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应的整流、逆变调整，输出满足负荷需求的电压等级。

通过以上分析知，当系统采用高压变频时，直接通过操作界面进行频率给定来改变电动机的转速以满足不同工况的需求。此时电机消耗的能量将以转速立方的关系下降，智能节电的效果非常显著。

3 硫酸厂SO2风机频率确定

硫酸厂SO2风机的实际运行风量为52 500 m3/min,额定负荷为75 000 m3/min，实际负荷只占到额定负荷的70%(52 500/75 000×100%)，因此理论上可将电机频率降到35 Hz，节能率达到66%。

实际确定电机频率要充分考虑系统实际工况，不能只考虑节约能源，否则不但不能达到节能的目的，甚至可能造成重大设备事故，影响正常生产的进行。

所以SO2风机频率的确定还要考虑以下几个方面的问题。

3.1 系统的润滑

风机的传动方式为轴承轴瓦传动。系统正常循环时油压为1.2～1.5 bar，油温为42.5 ℃，主机开机前辅助油泵开启，待到上位油箱达到一定油量时，辅助油泵停止工作，主电机启动，依靠主电机自身的轴转速来上油。当风机转速下降时，油压也会下降；但油压降低到一定程度后，主电机会停机，防止轴瓦过热时烧毁。经过试验，当电机频率降到40 Hz时，润滑油压下降约20%,达到1.2 bar，此频率下，油压基本满足工况需求。

3.2 系统散热的要求

本系统的散热是依靠电机转子尾部带的风叶给自身降温，当电机频率下降时，风叶转速也下降，自冷风量降低，导致电机温升。经测定，当主电机频率设定在40 Hz时，基本可以保证主电机温升不超过主电机保护温度。

3.3 喘振现象的发生

当风机长期在低速运转且处于某个特定频率时，有可能发生喘振现象，电机频率的设定要避开这个低频区域。经过反复实验，当电机处于44～45 Hz时，风机运行平稳。

3.4 系统的传动效率

本系统传动方式为：

变频器→主电机→联轴器→增速机→风机，因此要考虑传动效率。

综合以上因素，将电机频率设定在45 Hz。

4 SO2风机节电分析

硫酸厂高压风机变频改造投入运行后，电机频率设定在45 Hz，电机转速降低了10%，电流下降了26%，年节电2 168 338 kW·h，按公司平均电价0.6元/kW·h计算，年可节约费用130多万元。投资估算300万元，2.3年可收回投资。

5 结束语

高压风机改造后，在运行时，将原导叶片开到100%，这样不需要克服档板的阻力，降低了风机的能源消耗，同时由于不用导叶片调整流量，使导叶片使用寿命大大延长，使检修维护工作量减少，降低了检修工作强度、费用和操作工人的劳动强度。

[1] 曾允文. 高压变频器及其应用[M]. 北京：工业机械出版社,2010.

[2] 陈晓春. 应用高压变频技术改造烟气净化系统风机的应用[J]. 有色冶金节能,2009.

[3] 梁玲. 通用变频器在风机节能中的应用[J]. 有色冶金节能,2008.

Application of High Voltage Variable Frequency Speed Regulation Technique in SO2Fan

YAO Guang-rong

This paper analyzes the SO2fan’s operating condition and energy situation in a sulfuric acid plant; introduces energy-saving effect of high voltage converter in the fan application; and illustrates some problems need to be considered when determining the SO2fan frequency, such as lubrication, heat dissipation requirement, transmission efficiency and surging phenomenon. The energy saving and operating effect of the fan is remarkable since high voltage variable frequency transformation.

fan; operating condition; high voltage variable frequency; energy saving transformation

2014-03-10

姚广荣(1965—),女，吉林人，大专，工程师，主要从事电气技术节能改造工作。

TM921.51

B

1008-5122(2014)04-0038-03