冶煉企業(yè)高壓電動機節(jié)能改造

戴厚民

（河池南方有色冶煉有限責任公司，廣西 河池 547000）

在有色金屬冶煉尾氣（廢氣）制酸的工藝過程中，SO2風機是必不可少的設備，其消耗的電量在整個工藝流程中所占比例達55%以上。若能對SO2風機進行節(jié)能改造，不僅可以節(jié)約電能，減少生產成本，同時也能降低設備的損耗，延長設備的使用壽命。

1 概述

1.1 鉛冶車間SO2風機簡介

鉛冶車間SO2風機采用沈陽鼓風機廠生產的抽風機，排氣量為1 150 m3/min,配電機型號Y5004-2，電壓10 kV,功率1 000 kW，額定電流70.4 A。該風機機組是由抽風機主機、水冷系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、風冷系統(tǒng)、電動機及各個測試點的溫度和壓力的現(xiàn)場、遠控表組成。SO2風機系統(tǒng)原來用液力耦合器啟動，啟動電流為110 A左右，啟動后自動轉入工頻全壓運行。按現(xiàn)在的生產條件生產，電動機的正常運行電流為45～50 A。

1.2 煙化爐風機

鉛冶車間煙化爐風機排氣量為300 m3/min,配電機型號Y4506-2，電壓10 kV,功率630 kW，額定電流44 A。該風機機組是由抽風機主機、水冷系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、風冷系統(tǒng)、電動機及各個測試點的溫度和壓力的現(xiàn)場、遠控表組成。煙化爐風機系統(tǒng)原來用液力耦合器啟動，啟動電流為70 A左右，啟動后自動轉入工頻全壓運行。按現(xiàn)在的生產條件生產，電動機的正常運行電流為28 A左右。

1.3 系統(tǒng)存在的主要問題

（1）首先是風機出口的管道振動強、噪聲大，經過幾次的技改后已有所改善，但該風機送風的能力遠超出生產所需的風量。為確保正常生產，只能把多余的風量通過回流管道接到風機進口去；其次是由于出口的煙氣溫度要比入口的溫度高出1倍以上，如此循環(huán)將造成進口煙氣溫度偏高，不利于設備運行。羅茨風機進口氣體溫度不能超過85℃，否則轉子會因受熱膨脹而卡住。

（2）羅茨鼓風機的工作原理與齒輪泵類似。機殼內有2個漸開擺線形的轉子，2個轉子的旋轉方向相反，使氣體從機殼一側吸入，從另一側排出。轉子與轉子、轉子與機殼之間的縫隙很小，使轉子能自由運動而無過多泄漏。

2 改造項目介紹

2.1 變頻改造前，風機利用液力耦合器啟動

本次是對1 000 kW二氧化硫風機采用ZINVERT-A9H1250/10Y型變頻器進行改造?？紤]到如果變頻器故障，風機能轉至工頻運行，并要求保證工頻用水阻柜的軟啟動功能，因此本次改造變頻器與水阻柜構成并聯(lián)方式，滿足改造設計要求。改造一次接線如下圖1所示。

圖1 改造一次接線

此一次接線方式采用了雙開關柜的方式，最大限度提高了設備運行的穩(wěn)定性。10 kV變頻電源經變頻裝置刀閘K1接到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經刀閘K2送至電動機；10 kV電源還可經刀閘K2切換至工頻側直接啟動電動機。一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可斷開輸入側10 kV開關及刀閘K1，將變頻裝置隔離，切換刀閘K2至工頻側，在工頻電源下啟動電動機運行。刀閘K1、K2之間具有閉鎖和防止誤操作功能。在應用中，高壓變頻器除解決工頻串水阻啟動的配合以及轉矩問題外，還需根據(jù)工況注意風機轉速的限制條件。

（1）風機排氣口的壓力與流量控制信號輸入高壓變頻器內置的PLC作為自動控制的保證目標。

（2）風機的排氣口溫度不能超過最高允許值，否則風機的軸承和齒輪將因過熱而損壞。

（3）風機的進出口溫升不能超過最高允許值，否則風機殼體的熱變形將超出可控范圍。

（4）風機設定最低轉速，不能低于機械最低允許轉速，否則甩油盤將不能提供充沛的飛濺潤滑。

另外，由于工藝的要求，選用了帶有自動工頻旁路的高壓變頻器進行改造，在高壓變頻器出故障后能夠自動切換至工頻拖動，保證生產線的連續(xù)工作的可靠性要求。

2.2 實施方案

拆除連接高壓電動機和風機的液力耦合器，由高壓電動機直接驅動風機，而此時須由高壓變頻器對電動機直接供電。變頻器選型前先對電動機節(jié)電率進行科學估算。改造后電動機控制保留原有的控制，以防變頻器出問題時，可以用水阻啟動工頻運行而不影響生產。系統(tǒng)應保障電動機具有蘿茨風機特有的恒轉矩啟動運行特性。避免變頻器輸出產生的諧波影響其它設備，確保變頻能在10 Hz以上運行而不影響設備應有的性能。

2.3 改造措施

變頻器選用某ZINVERT系列智能高壓變頻器。變頻設計由一選擇開關來進行變頻、工頻自動/手動的切換，控制KM1—KM5工作相互連鎖。

2.4 系統(tǒng)改造的原理及構成

2.4.1 變頻器的工作原理

ZINVERT系列高壓變頻調速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術，解決了器件耐壓的問題，級間SPWM信號移相疊加，提高了輸出電壓諧波性能，降低輸出電壓的dv/dt；通過電流多重化技術降低輸入側諧波，減小了對電網的諧波污染；主控制器以雙數(shù)字信號處理器（DSP）、超大規(guī)模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA）為核心，配合數(shù)據(jù)采集、單元控制和光纖通信回路以及內置的可編程邏輯控制器（PLC）構成系統(tǒng)控制部分。圖2顯示ZINVERT系列智能高壓變頻調速成套系統(tǒng)整體結構由整流變壓器、功率逆變柜及控制柜組成，實際使用時還可按用戶要求配套手動或自動工頻旁路切換柜。

圖2 系統(tǒng)功率單元圖

2.4.2 整流變壓器

整流變壓器副邊繞組相互隔離，并采用移相延邊三角形接法，保證系統(tǒng)工作在20%負載以上時電網側的功率因數(shù)保持在0.96以上。

2.4.3 功率單元電氣原理

功率單元主要由三相全橋整流器、濾波電容器組、IGBT逆變橋（H橋）構成，同時還包括功率器件驅動、保護、信號采集、光纖通信等功能組成的控制電路。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。單元輸出電壓如圖3所示。

圖3 單元PWM輸出

ZINVERT系列高壓變頻調速系統(tǒng)是由多個功率單元經過移相串聯(lián)而成。電壓疊加原理類似于“電池組疊加”技術，以如圖4所示6 kV每相6單元串聯(lián)為例，每個功率單元輸出交流有效值Vo為577 V，相電壓即達到3 464 V，線電壓則為6 kV，輸出相電壓波形如圖5所示，諧波含量很小，已很接近標準正弦波形。

圖4 6 kV系統(tǒng)6級輸出電壓疊加示意圖

圖5 6 kV系統(tǒng)6級輸出相電壓波形

2.4.4 控制策略

ZINVERT系列高壓變頻調速系統(tǒng)采用輸出壓頻比控制方式，根據(jù)異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，只要保證電動機反電動勢和定子頻率比值恒定，就可以使電動機運行在額定磁通的情況下，達到效率最優(yōu)點。同時，在忽略定子電阻和漏感的情況下，電動機的反電動勢等于定子機端電壓。由于反電動勢難以直接控制，所以在近似的情況下，采取保證機端電壓和定子頻率比值恒定的策略。ZINVERT系列高壓變頻調速系統(tǒng)在恒壓頻比控制的基礎上，提供2種類型（直線和二次方曲線）V/F曲線，2種基本的V/F曲線見圖6所示。由用戶根據(jù)現(xiàn)場情況設置功能參數(shù)，選擇合適的V/F曲線，以補償定子電壓，并能根據(jù)負載類型選擇效率更優(yōu)的曲線。如果設置F06=F05，那么當電動機定子頻率超過額定頻率時，電壓不再上升，保持額定輸出電壓不變。

圖6 2種基本的V/F曲線

3 改造后的節(jié)能效果估算

鉛銻冶煉廠二氧化硫風機和煙化爐風機使用變頻實際節(jié)能效果分析如下。

（1）二氧化硫風機

改造前電動機功率為

改造后電動機功率為

P=1.732×4 815 V×22 A×0.97=177.97 kW

二氧化硫風機改造后每年節(jié)電193.024 8萬kWh。

（2）煙化爐風機

改造前電動機功率為387.97 kW。

改造后電動機功率為207.999 kW。

煙化爐風機改造后每年節(jié)電129.579萬kWh。

投資120萬元購買的2臺風機變頻器，2臺風機每年可節(jié)約用電337.578萬kWh，按每千瓦時0.6元計算，每年節(jié)約電費202.5萬元，7.1個月可以收回投資。

（3）其它效益

由于采用變頻控制，可對風量進行精確控制，而且能更直觀、方便地調節(jié)風量來滿足機風生產的需要，起到良好的效果。

電源側功率因數(shù)提高。原電動機直接由工頻驅動時，滿載功率因數(shù)為0.85左右，實際運行功率因數(shù)遠低于0.8。采用高壓變頻調速系統(tǒng)后，電源側的功率因數(shù)可提高到0.9以上，無需無功補償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網要求，可進一步節(jié)約上游設備的運行費用。

設備運行與維護費用下降。采用變頻調節(jié)后，由于通過調節(jié)電動機轉速實現(xiàn)節(jié)能，在負荷率較低時，電動機、風機轉速也降低，主設備及相應輔助設備，如：軸承等，磨損較以前減輕，維護周期可加長，設備運行壽命延長。變頻改造后風門開度可達100%，運行中不承受壓力，可顯著減少風門的維護量。變頻器運行中，只需定期對變頻器除塵，不用停機，保證了生產的連續(xù)性。隨著生產的需要，調節(jié)風機的轉速進而調節(jié)風機風量，既滿足生產工藝的要求，工作強度又大大降低。采用變頻技術調速后，減少了機械磨損，維護工作量降低，檢修費用下降。

用高壓變頻調速裝置后，可對電動機實現(xiàn)軟啟動，啟動時電流不超過電機額定電流的1.2倍，對電網無任何沖擊，電動機使用壽命延長。在整個運行范圍內，電動機可保證運行平穩(wěn)，損耗減小，溫升正常。風機啟動時的噪音和啟動電流非常小，無任何異常振動和噪音。

［1］ 王明海.高壓變頻器應用與維護[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 李家明.特種變頻器實用手冊[M].北京：中國電力出版社，2006.

［3］ 劉智.高壓變頻器從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.