阿尔法变频器在炼铁高炉上的应用

一.前言

   改革开往以来,我国国民经济迅速发展,但是能源工业的发展远远满足不了需要,而且相当一个时期内能源缺口的状态不会改观,因此国家以开发与节约并重的能源政策为主.尤其以节约宝贵的二次能源---电能为主.我国电能最大的用户是电机,约占50%,其中风机水泵的耗电占全部电能的30%.传统的风机水泵的风量,水量的调节是靠风门,节流阀的调节.当风量,水量的需要减少时,风门,阀的开度减少,当风量,水量的需要增加时,风门,阀的开度增加,这种调节方式虽然简单易行,已成习惯,但它是以增加管网损耗,耗费大量能源在风门,阀上为代价的.并且通常在设计中,用户风机水泵的设计容量都要比实际需要高出很多,这样容易形成人们常说的"大马拉小车"的现象,造成电能的大量浪费.

    昆钢股份有限公司在国家不断完美市场经济体制,加快改革开放和西部大开发的大好形式下,抓住机遇,加速发展,广泛吸收国内个优秀钢铁企业的成功经验,优化工艺结构,大力推进技术进步,节能降耗,清洁生产等工作,使钢铁产品结构更趋合理,市场竞争力显著增强,在现代化,节约化,高效化的工业进程中实现了实质的飞跃,为实现企业可持续发展,为国家节能环保事业和经济发展做出了较大的贡献,如果采用调节速度的方式来调节流量,就可以从根本防止电能的浪费,近年来随着电力电子技术的发展,变频调速技术越来越成熟,因此推广变频调速,在风机,水泵类设备上的应用,对于减少能源浪费具有重要意义.

二.项目概况

   2005年随着昆钢改扩建项目的先后投产,昆钢的生产规模更加上了一个新的台阶,用电量也将大幅度增加.针对目前电力供应紧张的局面,为满足昆钢不断增长的生产,生活用电的需要,昆钢在取得"绿色照明"改造等节电成果的基础上,对老系统,老设备将再积极探索推广使用变频节能产品,进一步提高设备的电能利用效率,力求在节约资源,降低生产成本,提高经济效益,保护环境上取得新的突破,

    昆钢股份有限公司二号三号高炉始建于上世纪八十年代,设备几经改造,其中变频器应用在300立方米高炉上的热风炉助燃鼓风机上,电机参数如下:

三.生产工艺流程

1.工艺简图如下图:

2.运行简况

炼铁厂二号,三号高炉热风助燃风机设计为一对一无备用,风机为24小时连续运行.在热风炉出口设有放空阀,用于调节供给高炉热风的压力和流量,压力一般控制在5.0--5.4KPA.两座高炉热风炉助燃风机长期以来均通过调节放空阀的方法来实现流量控制,故系统效率低,功耗大,电能浪费严重,由于生产正常时要求持续,稳定的供风,因此风量,风压变化不大,此时可通过变频器调节消除节流损失,同时提高风机的运行效率,虽然由于电动机负载率的下降会使其运行效率降低,但因风机运行功率的下降幅度很大,电动机的损耗也有所减少,最终使电动机运行功率大幅下降,从而达到节电的目的.

3.因两座高炉的工况不同,以2号高炉热风炉鼓风机为例,高炉在正常炼铁生产时由于现场测试条件有限,只对电机进行了测试.

实测数据: 风机电机的平均功率P=200.98KW

测试工况:风机正常运行,进口风门开度约85%,放空阀开度约5%,热风压力5.2KPA

四.改造方案:

1.变速调速原理:

按照电机学的基本原理,电机的转速原理满足如下关系式:

n=(1-s)60f/p

式中:P-电机极对数, F-电机运行频率,S--转差.

从式中看出,电机的同步转速N1正比于电机的运行频率N,由于转差S一般情况下比较小<0.05,电机的实际转速N约等于电机的同步转速N1,所以调节了电机的供电频率F,就能改变电机的实际转速.

而改变频率必须供电电压,由交流电机成产的电磁关系:

E=4.44fwØ

式中:E--电机电动势, F-定子频率, W--绕数系数,Ø-气隙主磁通.

对异频电机调速时,希望主磁通Ø恒定,就U/F曲线保持恒定,所以改变频率时,供电电压也跟着变化,

2. 风机调速节电原理:

由于风机内部流体的复杂,单凭理论不能精确算出它们的性能,只能依靠流体力学中的相似理论,通过实验和模拟手段来计算风机的运行工况.把相似定律应用于不同转速运行的同一台风机时,就可以得到下式:当改变风机的转速,其转速 n 流量Q 压力(扬程)H,轴功率P的关系为:

从上式可以看出,流量与转速成正比,压力转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比,所以降低转速可以大幅度减少耗电量,风机的节电原理就是用调速装置来代替风门调节流量,减少节流损失,节约电能,风机是用来传送气体的机械设备,风机是把电动机的轴功率转变为机械的一种机械,它们的压力矩都较小,负载轻,具有很大节能潜力.

3.改造方式:

两座高炉热风助燃风机目前通过调整风机进风阀门开度及放空阀开度来实现风量调节,由人工在控制室根据风量需求在计算机上进行手动调节或在电机旁现场手动调,改造方案在采用变频器后保持进风阀全开,放空阀全关,根据风压和流量远程手动调节风机转速,系统可随时随意改变鼓风量,以适应高炉生产的变化,保持风机的正常经济运行,达到稳定控制,方便操作,节约能源的目的.

为了保证系统的可靠性,两台风机均采用一台阿尔法变频器一拖一的控制方式,控制回路上设计工频运行切换选择,工/变频选择由人工切换操作,实现热风炉风机或变频运行,保留原控制系统和控制设备,调速控制均采用集中和远程两地操作,沿用现有的PLC计算机系统,利用现有的PLC模块备用I/O点,通过在燃控计算控制系统修改程序增加鼓风机的调速操作功能和变频器输出频率,输出电流显示功能.

四.运行节电效果分析:

以二号高炉热风炉风机为例:

平均节电率达27%以上,约一年半就能回收成本.

五,应用变频器产生的其它效果:

1. 维护量减少

采用变频调整后无论哪种工作条件,随时可以通过调整转速使系统在接近额定状态下工作,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,节约大量的维护费用,

2.减少了对电网的冲击

采用变频器后系统实现软启动,电机启动电流远远小于额定电流,启动时间相应延长,对电网无冲击,减轻了起动机械转矩对电机机械损伤,有效地延长了电机的使用寿命,

3.改善了工作环境

在满足于生产工艺要求下,通过降低了风机的转速降低了风机的燥音,风机燥音降低相当明显,大大改善了员工的工作环境.