变频节能技术在除尘风机上的应用
发布时间： 2015年11月19日
能降耗是当前冶金企业降本增效的重要途径，也是济南钢铁集团有限责任公司实施低成本战略的核心内容。作为传统炼铁厂竖炉球团工艺流程、装备相对落后、炉体状况不佳，济钢炼铁竖炉在生产过程中，会产生大量的烟尘，含有粉尘颗粒和硫化气体，污染环境，根据国家法规《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996），需要对烟气进行除尘净化处理，由除尘风机将其排至烟囱放散或输送到脱硫系统中再循环利用。根据炼铁工艺生产特点要求，风机一般是根据现场作业环境最恶劣的状态设计的，要求除尘风机在整个炼铁工作周期内运行，除尘风机在炼铁厂属主要高耗能设备，有炼铁厂里的“电老虎”之称，其容量一般都是根据生产工艺中可能出现的最大负荷条件选择， 但在实际运行中往往比设计要小得多，属于“大马拉小车”的状态，其电能损耗相当严重。如果电机不采用变频调速控制，则流量通常只能通过调节挡板或阀门控制，其结果是造成很大的能量损耗。采用变频器将电动机直接进行调速运行，节能效果显着，取得明显成效。
1 变频调速节能技术的原理及调速方式比较
1.1 变频调速原理变频控制使异步电动机具有与直流电动机相同的转矩生成机理，变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。其基本原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，整流部分为三相桥式不可控整流器，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。使电机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。变频调速技术能根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速、减速，从而大幅度提高电机的工作效率。
1.2 当前各种调速方法比较随着工业技术的发展，各种针对风机、水泵类负载的调速装置生产中得到了广泛应用。普遍采用的调速方法主要有：
1）串级调速控制（适用于绕线式异步电动机）。具有效率高，投资小、当调速装置发生故障时能轻便的切换至全速运行，可以有效避免停产但是谐波影响大，因为晶闸管串级调速功率因数偏低。
2）变极对数调速控制。变极对数调速方法是利用定子绕组的接红方式改变来改变笼型电动机定子极对数达到调速的目的，此方法具有稳定性好、机械性能好、效率高、接线简单、控制方便等。
3）绕线式电动机转子串电阻调速方式（适用于绕线式异步电动机）。
4）液力偶合器调速控制。具有功率适用范围广、能容大、结构简单、易于控制等特点。
5）电磁调速电动机调速方法。特点线路简单、调速平滑、对电网无谐影响，但是效率低。
6）变频调速控制。具有调速范围大、特性硬、精度高、应用范围广、调速过程中不会产生损耗、且使用效率高的特点。
在各种调速控制方法中，液力偶合器和转子回路串电阻方式调速控制效率最低，且速度越低效率越低；无换向器电机调速控制效率最高，若采用鼠笼式电动机，变频调速控制方式效率最高。
2 变频节能原理2.1 软启动节能炼铁厂多台大容量高压除尘风机直接启动或液力耦合器启动，启动电流大大高于额定电流，对电网冲击大且损害电机设备，一方面要求电网容量高，另一方面由于启动时产生的大电流和震动对设备的损害极大，大大缩短了现场设备寿命。若使用变频节能装置，采用变频器的软启动功能，所谓软启动，就是使用调压装置在规定时间内，自动将启动电压连续平滑地上升，直到达到电机额定电压。软起动器是一种用mA级电流控制达几kA晶闸管的无触点电力控制设备，采用闭环控制系统，它以微处理器为核心，辅加相应检测电路，控制器自动调节电抗器的励磁电流，改变电抗器的电流值，限制起动电流，达到平滑启动电压，减少了对电网的冲击和对供电容量的要求。这种基于微处理器基础上的软件化控制，不仅有一般的电机保护功能，还有双斜坡启动和预置低速运行、避免机械冲击等特殊的工艺控制功能。
2.2 变频节能技术分析炼铁厂除尘风机作为一种基本的变转矩负载，负载的平方转矩特性与异步电动机启动时的机械特性曲线部分相似，变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。从流体力学的原理得知风机的电动机的轴功率P与其风量Q，压力H之间的关系式如下：
P（功率）=Q（风量）×H（压力）Q2／Q1＝N2／N1H2／H1＝（N2／N1）2P2／P1＝（N2／N1）3由上式可知，风量Q和电机的转速n是成正比关系的，风机的电动机的轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。
低速时，功率会有很大的下降。由于除尘风机运行于额定转速以上是恒功率调速，此时风机效率很低，电机机械磨损较大，对电机设备损害大。在理想状态下，通过调速方式改变风机风量，风量下降一半时，风机轴功率将下降87.5%。从理论上讲，当采用变频调速时，50 Hz满载时功率因数接近l，速度降低10％时会带来30％左右的功率下降，工作电流比电机额定电流值要低许多，可获得显着的节能效果，变频装置的多级移相叠加的整流方式可大大改善网侧的电流波形，可以为电网节约容量20%左右。
3 变频改造应用3.1 设备概况济钢炼铁厂实施变频改造的除尘风机电机如下：型号：YRKK450-4；额定功率450kW；额定电压：6000V；额定电流：54A；额定转速：1486r/min。负载对象为球团成品上料皮带及成品料仓，在未实施变频改造之前，要根据成品球团上料皮带开停及成品料仓情况调节风门开度，稳定时风门开度为50%，风机出口压力保持在-2.0kPa左右，实际运行电流约为40A。
3.2 改造应用方案系统新增变频柜1台，变频器选用三星力达SUPERDRIVE V7系列高压变频器，控制过程如下：热电偶和皮带秤将成品料仓内监测到的温度和皮带压力信号传送给DCS系统，DCS系统根据检测值分别进行PID闭环运算，输出信号（4～20mA）给除尘风机变频器作为速度给定信号来调节风机转速，另外亦可采用直接给定模式，直接给定除尘风机变频器转速信号。系统控制模式分为手动和自动2种工作模式，可以通过开关选择控制模式。为了确保系统能够稳定地运行，系统采用工变频冗余方案，保留原风机工频控制柜。实现工变频联锁，提高系统可靠性，当变频系统出现故障或需检修时，可切换到工频运行模式。
1.）节电效果明显，电机运行频率稳定在12～35HZ，平均节能率在50%以上。大大节约了除尘风机的耗电量，年节约费用60万元，降低了高炉生产的成本，增加了经济效益。
2）采用变频调速控制，其装置具备软起动、软停止的功能，设备运行可靠，维护费用低。减少了对电网和设备的冲击，系统电网有功功率增加，功率因数由0.76提升到0.98，电源质量明显改善，延长了电机及风机的使用寿命。
3）变频调速装置运行可靠，系统运行稳定、安全可靠，除尘器运行参数正常，不需要停产检修，减少了维修时间，提高了产量。
炼铁厂球团成品除尘风机经过改造后，优化了除尘风机的运行状况，降低了噪声，节约了大量电能，同时拉长了除尘风机的维修周期，节省了维修成本。
1 变频调速节能技术的原理及调速方式比较
1.1 变频调速原理变频控制使异步电动机具有与直流电动机相同的转矩生成机理，变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。其基本原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，整流部分为三相桥式不可控整流器，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。使电机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。变频调速技术能根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速、减速，从而大幅度提高电机的工作效率。
1.2 当前各种调速方法比较随着工业技术的发展，各种针对风机、水泵类负载的调速装置生产中得到了广泛应用。普遍采用的调速方法主要有：
1）串级调速控制（适用于绕线式异步电动机）。具有效率高，投资小、当调速装置发生故障时能轻便的切换至全速运行，可以有效避免停产但是谐波影响大，因为晶闸管串级调速功率因数偏低。
2）变极对数调速控制。变极对数调速方法是利用定子绕组的接红方式改变来改变笼型电动机定子极对数达到调速的目的，此方法具有稳定性好、机械性能好、效率高、接线简单、控制方便等。
3）绕线式电动机转子串电阻调速方式（适用于绕线式异步电动机）。
4）液力偶合器调速控制。具有功率适用范围广、能容大、结构简单、易于控制等特点。
5）电磁调速电动机调速方法。特点线路简单、调速平滑、对电网无谐影响，但是效率低。
6）变频调速控制。具有调速范围大、特性硬、精度高、应用范围广、调速过程中不会产生损耗、且使用效率高的特点。
在各种调速控制方法中，液力偶合器和转子回路串电阻方式调速控制效率最低，且速度越低效率越低；无换向器电机调速控制效率最高，若采用鼠笼式电动机，变频调速控制方式效率最高。
2 变频节能原理2.1 软启动节能炼铁厂多台大容量高压除尘风机直接启动或液力耦合器启动，启动电流大大高于额定电流，对电网冲击大且损害电机设备，一方面要求电网容量高，另一方面由于启动时产生的大电流和震动对设备的损害极大，大大缩短了现场设备寿命。若使用变频节能装置，采用变频器的软启动功能，所谓软启动，就是使用调压装置在规定时间内，自动将启动电压连续平滑地上升，直到达到电机额定电压。软起动器是一种用mA级电流控制达几kA晶闸管的无触点电力控制设备，采用闭环控制系统，它以微处理器为核心，辅加相应检测电路，控制器自动调节电抗器的励磁电流，改变电抗器的电流值，限制起动电流，达到平滑启动电压，减少了对电网的冲击和对供电容量的要求。这种基于微处理器基础上的软件化控制，不仅有一般的电机保护功能，还有双斜坡启动和预置低速运行、避免机械冲击等特殊的工艺控制功能。
2.2 变频节能技术分析炼铁厂除尘风机作为一种基本的变转矩负载，负载的平方转矩特性与异步电动机启动时的机械特性曲线部分相似，变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。从流体力学的原理得知风机的电动机的轴功率P与其风量Q，压力H之间的关系式如下：
P（功率）=Q（风量）×H（压力）Q2／Q1＝N2／N1H2／H1＝（N2／N1）2P2／P1＝（N2／N1）3由上式可知，风量Q和电机的转速n是成正比关系的，风机的电动机的轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。
低速时，功率会有很大的下降。由于除尘风机运行于额定转速以上是恒功率调速，此时风机效率很低，电机机械磨损较大，对电机设备损害大。在理想状态下，通过调速方式改变风机风量，风量下降一半时，风机轴功率将下降87.5%。从理论上讲，当采用变频调速时，50 Hz满载时功率因数接近l，速度降低10％时会带来30％左右的功率下降，工作电流比电机额定电流值要低许多，可获得显着的节能效果，变频装置的多级移相叠加的整流方式可大大改善网侧的电流波形，可以为电网节约容量20%左右。
3 变频改造应用3.1 设备概况济钢炼铁厂实施变频改造的除尘风机电机如下：型号：YRKK450-4；额定功率450kW；额定电压：6000V；额定电流：54A；额定转速：1486r/min。负载对象为球团成品上料皮带及成品料仓，在未实施变频改造之前，要根据成品球团上料皮带开停及成品料仓情况调节风门开度，稳定时风门开度为50%，风机出口压力保持在-2.0kPa左右，实际运行电流约为40A。
3.2 改造应用方案系统新增变频柜1台，变频器选用三星力达SUPERDRIVE V7系列高压变频器，控制过程如下：热电偶和皮带秤将成品料仓内监测到的温度和皮带压力信号传送给DCS系统，DCS系统根据检测值分别进行PID闭环运算，输出信号（4～20mA）给除尘风机变频器作为速度给定信号来调节风机转速，另外亦可采用直接给定模式，直接给定除尘风机变频器转速信号。系统控制模式分为手动和自动2种工作模式，可以通过开关选择控制模式。为了确保系统能够稳定地运行，系统采用工变频冗余方案，保留原风机工频控制柜。实现工变频联锁，提高系统可靠性，当变频系统出现故障或需检修时，可切换到工频运行模式。
1.）节电效果明显，电机运行频率稳定在12～35HZ，平均节能率在50%以上。大大节约了除尘风机的耗电量，年节约费用60万元，降低了高炉生产的成本，增加了经济效益。
2）采用变频调速控制，其装置具备软起动、软停止的功能，设备运行可靠，维护费用低。减少了对电网和设备的冲击，系统电网有功功率增加，功率因数由0.76提升到0.98，电源质量明显改善，延长了电机及风机的使用寿命。
3）变频调速装置运行可靠，系统运行稳定、安全可靠，除尘器运行参数正常，不需要停产检修，减少了维修时间，提高了产量。
炼铁厂球团成品除尘风机经过改造后，优化了除尘风机的运行状况，降低了噪声，节约了大量电能，同时拉长了除尘风机的维修周期，节省了维修成本。
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