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1 改造前狀況

首鋼水城鋼鐵集團(tuán)有一臺配料除塵風(fēng)機(jī)，拖動電機(jī)功率為10kV/500kW，原風(fēng)機(jī)采用進(jìn)、出口風(fēng)門擋板來進(jìn)行風(fēng)門的調(diào)節(jié)以控制流量，在調(diào)節(jié)風(fēng)門時，很多電能白白浪費，并對機(jī)械設(shè)備的性能有很大損害,。風(fēng)機(jī)運行時噪音較大,，不利于環(huán)境保護(hù),。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電氣傳動的主要發(fā)展方向之一,，它不僅調(diào)速性能優(yōu)越,，而且節(jié)能效果良好。目前，我國大型配套風(fēng)機(jī)主要采用進(jìn),、出口風(fēng)門擋板,、進(jìn)口軸向?qū)Я髌鳌⑦M(jìn)口靜葉調(diào)節(jié)器等方法進(jìn)行風(fēng)門的調(diào)節(jié)以控制流量,，其缺點是節(jié)流損失大,，增加風(fēng)機(jī)的功率消耗，系統(tǒng)震動大,、噪聲大,、對環(huán)境造成惡劣的影響,，同時調(diào)節(jié)閥門有時處于很高壓力下工作，容易磨損和損壞。由于定速風(fēng)機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩配置的電動機(jī)容量比風(fēng)機(jī)的額定容量大很多,，在低負(fù)荷區(qū)，電動機(jī)工作效率很低,，能源浪費嚴(yán)重。所以對除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和增加保護(hù)功能,，通過對高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究,，擬定使用該調(diào)速系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)速控制,，取代傳統(tǒng)的擋風(fēng)板,、節(jié)流閥來控制風(fēng)量和流量,，以求達(dá)到理想的實用效果,。

2變頻調(diào)速的節(jié)能原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一種頻率的電能控制裝置。變頻器主要用于交流電動機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),，是國際公認(rèn)的交流電機(jī)最理想,、最有前途的調(diào)速方案。

異步電動機(jī)的變頻調(diào)速在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率,，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小,，效率高，是異步電動機(jī)最為合理的調(diào)速方法,。

由公式n＝60f/p（1-s）可以看出,，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,。異步電動機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬,、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點,，目前,，變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用,。

高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：

（1）由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失,，在變頻改造后不再有節(jié)流損失。

（2）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高,。

（3）可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動,，避免啟動沖擊電流，減輕了沖擊扭振。

（4）高壓變頻器本身損耗極小,，整機(jī)效率在97％以上,。

對離心式風(fēng)機(jī)而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比,；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；即：

Q₁/Q₂＝n₁/n₂,，H₁/H₂＝(n₁/n₂)²,，P₁/P₂＝(n₁/n₂)³

當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度,，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上,。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降,。變頻調(diào)速時,，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為：

E=〔1-( n′/n)³〕×P×T (kW·h)

式中： n是額定轉(zhuǎn)速,，n′是實際轉(zhuǎn)速,，P是額定轉(zhuǎn)速時電機(jī)功率，T是工作時間,。

可見，通過變頻對風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造,，不但節(jié)能,，而且大大提高了設(shè)備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù),。

3現(xiàn)場設(shè)備情況

首鋼水城鋼鐵集團(tuán)燒結(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)現(xiàn)場如圖1所示,。參數(shù)如表1、表2所示,。

圖1 配料除塵風(fēng)機(jī)現(xiàn)場照片

為了節(jié)能降耗,，提高風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)性能，在2021年節(jié)能改造中,，首鋼水城鋼鐵集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)決定采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-710F變頻調(diào)速器在該配料除塵風(fēng)機(jī)上實施改造,，改造達(dá)到了預(yù)期目的。

4風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)特點

風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號,，新風(fēng)光公司是國家高新技術(shù)企業(yè),，生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度傳感器矢量控制技術(shù),、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù),，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn),，輸入功率因數(shù)高,，輸出波形質(zhì)量好,，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器,；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動,、噪音、輸出dv/dt,、共模電壓等問題,，可以使用普通的異步電機(jī)。

4.1 JD-BP38-710F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)

JD-BP38-710F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)如表3所示,。

4.2 JD-BP38-710F高壓變頻器技術(shù)特點

具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外,，還具有以下突出特點：

(1)高性能矢量控制,，啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快,，調(diào)速精度高,，帶負(fù)載能力強，提高設(shè)備運行的平穩(wěn)性,；

(2)振蕩抑制技術(shù),，采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制輕載電機(jī)電流的振蕩,，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作,；

(3)快速飛車啟動技術(shù)，特別適用于（如水泥廠高溫風(fēng)機(jī)）變頻保護(hù)后的重新啟動,，可實現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護(hù)狀態(tài)復(fù)位重新帶載運行,；

(4)電網(wǎng)瞬時掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動重啟,，可提供最長60s的等待時間,；

(5)線電壓自動均衡技術(shù)。變頻器某相有單元故障后,，可保證最大的線電壓均衡輸出,；

(6)工、變頻無擾切換技術(shù),，該技術(shù)可滿足多電機(jī)綜合控制及大容量電機(jī)軟啟動的需要,；可以實現(xiàn)大容量電機(jī)雙向無擾動投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行；

(7)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術(shù),，變頻器實時檢測各單元母線電壓,，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能,；

(8)故障單元熱復(fù)位技術(shù),，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續(xù)運行,，此時可在運行中對故障單元進(jìn)行復(fù)位,，不必等變頻器停機(jī)；

(9)多種控制方式,，可選擇本機(jī)控制,、遠(yuǎn)控盒控制、DCS控制,，支持MODBUS,、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設(shè)定可以現(xiàn)場給定,、通訊給定等,，支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能,；

(10)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓,，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量,，保證輸出電壓的精度,，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運行維護(hù)人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握,；

(11)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍,；

(12)具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能,。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能,，將會導(dǎo)致重大事故,。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害,，避免事故的發(fā)生,；

(13)限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值，變頻器將自動限制電流輸出,，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù),，最大限度減少停機(jī)次數(shù)；

(14)故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變造成單元或是整機(jī)過電流保護(hù)時，可自動復(fù)位,，繼續(xù)運行,。

5改造系統(tǒng)方案介紹

燒結(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)目前的控制方式主要根據(jù)生產(chǎn)工藝需求風(fēng)量的大小，通過高壓變頻器實時調(diào)整風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量,。采用變頻器后保持進(jìn)擋板全開,，系統(tǒng)可隨時隨意改變送風(fēng)量以適應(yīng)變化，保持風(fēng)機(jī)的高效運行,。

通過目前已有的DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻器頻率來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量,。利用DCS對變頻器進(jìn)行啟動、停機(jī),、調(diào)速等控制,，并可在DCS上顯示變頻器的運行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行,。操作方面,，有遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統(tǒng)的安全性能,。變頻器內(nèi)置PLC,，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS485)的協(xié)調(diào),，并且可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展控制開關(guān)量,，增強了系統(tǒng)的靈活性。利用高壓變頻器根據(jù)實際需要對配料除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變負(fù)荷運行,，既保證和改善了工藝,，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。

此外,，為了保證系統(tǒng)的可靠性燒結(jié)除塵風(fēng)機(jī)現(xiàn)有的控制設(shè)備和運行方式仍將保留,，控制回路上設(shè)計工頻/變頻運行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作,，實現(xiàn)配料除塵風(fēng)機(jī)在工頻或變頻運行,。

6 高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案

6.1高壓變頻器主回路控制方案

根據(jù)現(xiàn)場要求，配料除塵風(fēng)機(jī)采用“一拖一”運行方式,，配置手動旁路柜,，其一次電路如圖2所示。

圖2 手動旁路柜

系統(tǒng)10kV高壓開關(guān)柜至風(fēng)光高壓變頻器,，風(fēng)光高壓變頻器與電機(jī)相連,，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，電機(jī)與風(fēng)機(jī)間不用做任何改動,，且變頻調(diào)節(jié)時風(fēng)門檔板可全開,。

圖2旁路柜中,，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電,，K2與K3采用電磁互鎖操動機(jī)構(gòu),，實現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1,、K3閉合,，K2斷開時，電機(jī)變頻運行,；當(dāng)K1,、K3斷開，K2閉合時,，電機(jī)工頻運行,，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修,、維護(hù)和調(diào)試,。

旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時,，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān),，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全,。

故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后,，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下,，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時,，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下,，變頻器故障分閘無效,。

6.2高壓變頻器控制邏輯

圖3變頻器控制邏輯示意圖

變頻器控制邏輯示意圖如圖3所示，利用DCS控制系統(tǒng)的預(yù)留點,，設(shè)計高壓變頻控制,、運行監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)包括工,、變頻的運行、停止命令按鈕,；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)按鈕,；變頻器復(fù)位按鈕、緊急停止按鈕,；變頻器運行電流,、電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示,；高壓柜以及變頻合閘顯示；變頻器故障報警顯示,。

DCS系統(tǒng)輸出 4~20mA電流信號控制JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行頻率,， 來控制電機(jī)的運行轉(zhuǎn)速。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋4~20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出頻率,、輸出電流,。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時接收DCS控制系統(tǒng)的啟動、停止,、急停,、復(fù)位控制信號，調(diào)整運行狀態(tài),。

當(dāng)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時,，系統(tǒng)輸出故障停機(jī)和報警信息，用于提示用戶啟動故障處理措施,，同時JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將信號發(fā)送給DCS,，在DCS系統(tǒng)上顯示故障，以便于及時的排除故障,。如果系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況,，DCS監(jiān)視人員立即點擊變頻器緊急停止按鈕，此時變頻器立即封鎖輸出,，并及時跳開高壓斷路器開關(guān),。

為保證JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)操作的安全性，需從改造電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)柜把斷路器的狀態(tài)信號接入JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng),。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出的故障跳閘信號接入斷路器的分閘回路,，連跳高壓信號接入安全回路，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時及時跳開斷路器,，保護(hù)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及電機(jī),。

當(dāng)所有開機(jī)條件都具備后，DCS發(fā)出變頻運行命令,，變頻器內(nèi)置PLC發(fā)出“合閘”信號至10kV高壓柜,，高壓斷路器開關(guān)合閘，變頻器進(jìn)行軟充電,，5S后充電完成,，變頻器處于就緒狀態(tài)，由DCS給出4~20mA信號控制變頻器頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,。

7 變頻改造后運行情況

7.1節(jié)能效果

2021年8月下旬,，新風(fēng)光公司高壓變頻器正式投入生產(chǎn)，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果,。配料除塵風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示,，高壓變頻器設(shè)備現(xiàn)場運行照片如圖5所示,。

圖4 配料除塵風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面

圖5 高壓變頻器現(xiàn)場運行照片

經(jīng)過鋼廠能源利用監(jiān)測中心測試，實施變頻改造后,，風(fēng)機(jī)電機(jī)運行電流下降明顯,，設(shè)備實現(xiàn)了軟起動，設(shè)備運行噪聲大大降低,，極大地減輕了設(shè)備起動時對供配電系統(tǒng)的沖擊,。配料除塵風(fēng)機(jī)高壓變頻器投入運行后，正常生產(chǎn)情況下,，變頻運行狀態(tài)40Hz左右即可滿足生產(chǎn)需求,，

變頻狀態(tài)運行數(shù)據(jù)，如表4所示,。

工頻時運行數(shù)據(jù),，如表5所示。

節(jié)電率=（389.85kW-255.17kW）/389.85kW=34.54%

配料除塵風(fēng)機(jī)每天24h運行,，一年運行330天,，變頻改造后，一年節(jié)省電量計算如下：（389.85kW-255.17kW）×24h×330d=106.67萬kW?h按0.5元/kW?h計算,，每年節(jié)省電費為：106.67萬kW?h×0.5元/kW?h=53.33萬元,。

7.2 其他收益

除此之外，在燒結(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速裝置后,，延長了電機(jī)和設(shè)備的使用壽命,。燒結(jié)的配料除塵風(fēng)機(jī)均為大容量的離心式風(fēng)機(jī)，啟動時間長,，啟動電流大,，對電機(jī)和風(fēng)機(jī)機(jī)械沖擊大，嚴(yán)重影響其使用壽命,。而采用變頻調(diào)速裝置后,，可以實現(xiàn)軟啟動和軟停止，減少了檢修維護(hù)開支,，節(jié)約了大量維護(hù)費用,。

8結(jié)束語

目前，國內(nèi)冶金行業(yè)普遍存在的問題是電耗,、煤耗,、水耗均同國際先進(jìn)水平還有一定差距，隨著競爭的加劇,，企業(yè)內(nèi)部通過技術(shù)改造節(jié)能降耗是節(jié)能降耗工作的重點,，作為鋼鐵生產(chǎn)主要耗能大戶之一的燒結(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)的節(jié)能是各鋼鐵廠重點考慮的問題。而高壓變頻器正好能夠滿足企業(yè)技改的迫切需求,，是節(jié)能項目中大力推廣的產(chǎn)品,。隨著高壓變頻器的性價比越來越高，為燒結(jié)配料除塵風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造提供了更廣闊的前景,。