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    星輪調(diào)速系統(tǒng)在回轉(zhuǎn)窯高溫風機中的應(yīng)用

    2019-10-17 01:13:58李國軍管向東
    鞍鋼技術(shù) 2019年5期
    關(guān)鍵詞:液力調(diào)速器變頻器

    李國軍,管向東

    (鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司,遼寧 朝陽 122000)

    鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司回轉(zhuǎn)窯高溫風機主電機功率為900 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 491 r/min,原來采用液力耦合器調(diào)速運行時,常用轉(zhuǎn)速約為1 200 r/min。由于液力耦合器傳動效率低,理論效率等于其傳動比,而且設(shè)備老舊,其實際效率更低,運行中電能浪費嚴重。此外,由于液力耦合器效率低,正常生產(chǎn)時還導致了高壓電機動力不足,風機轉(zhuǎn)速達不到額定轉(zhuǎn)速時就已經(jīng)超功率運行,導致電機溫升過高。該高溫風機為單臺除塵風機,沒有備用風機,一旦出現(xiàn)故障會對生產(chǎn)造成嚴重影響。星輪調(diào)速系統(tǒng)是通過控制低壓電機的旋向和轉(zhuǎn)速來調(diào)解高壓主動力電機轉(zhuǎn)速的機電一體化設(shè)備,用于實現(xiàn)大功率水泵、風機等設(shè)備的調(diào)速運行,具有傳動效率高、性能可靠等特點。鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司2018年新建了一臺高壓主動力電機功率為800 kW的高溫風機系統(tǒng)裝置,采用了星輪調(diào)速系統(tǒng)代替液力耦合器的傳動方式。在未改變生產(chǎn)工藝的情況下,解決了電能損耗和電機過熱問題,回轉(zhuǎn)窯高溫風機實現(xiàn)了高效率、高精度運行。

    1 風機調(diào)速節(jié)能的基本原理

    根據(jù)風機本身特性,風機流量Q和風機轉(zhuǎn)速n成正比關(guān)系,而風壓H與轉(zhuǎn)速n的二次方成正比,所需的軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比關(guān)系。當風機轉(zhuǎn)速變化時,其本身性能曲線的變化可由比例定律做出。圖1為轉(zhuǎn)速變化時風機運行工況點的變化情況。

    圖1 轉(zhuǎn)速變化時風機運行工況點的變化

    圖2 星輪調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備結(jié)構(gòu)布置圖

    如圖1所示,因風機管路阻力為固定值,故當轉(zhuǎn)速由n0變至n1、n2時,運行工況點將由A點變至A1、A2點。即當風機的轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時,對應(yīng)工況點的風量、風壓、軸功率也隨之降到原來的 1/2、1/4、1/8[1]。 因此,用調(diào)低轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)流量可使軸功率值不斷降低。

    2 星輪調(diào)速系統(tǒng)的組成、原理及控制

    2.1 星輪調(diào)速系統(tǒng)的組成

    星輪調(diào)速系統(tǒng)主要由星輪調(diào)速器、高壓主電機、低壓變頻調(diào)速電機、PLC及變頻控制柜、稀油潤滑站等組成,其中星輪調(diào)速器是整個調(diào)速系統(tǒng)的核心,是實現(xiàn)設(shè)備平滑調(diào)速的執(zhí)行部件。星輪調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備結(jié)構(gòu)布置圖見圖2。

    星輪調(diào)速屬于機械調(diào)速范疇,以機械調(diào)速為主、電氣調(diào)速為輔,其綜合調(diào)速運行效率為90%~97%。另外,星輪調(diào)速器本體運行可靠性高,使用壽命長,且低壓調(diào)速變頻器運行時對電網(wǎng)的波動及污染小,后期維護費用也比較低。

    2.2 星輪調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理

    星輪調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理為:星輪調(diào)速器是實現(xiàn)風機調(diào)速的執(zhí)行部件,高壓主電機和低壓變頻調(diào)速電機是星輪調(diào)速器的兩個動力輸入源。高壓主電機的轉(zhuǎn)速恒定,系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)低壓變頻調(diào)速電機的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速來改變星輪調(diào)速器輸出軸的轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)對風機的調(diào)速。數(shù)學模型為:

    式中,iH、iK為星輪調(diào)速器內(nèi)主電機和調(diào)速電機輸入軸的固定傳動比;n輸出、n主、n調(diào)分別為風機輸出、主電機、調(diào)控電機轉(zhuǎn)速。

    n輸出與n主、n調(diào)的調(diào)速關(guān)系見圖3。當 n調(diào)為正轉(zhuǎn)時,n輸出為經(jīng)過星輪調(diào)速器中齒輪變速后的主電機轉(zhuǎn)速與調(diào)速電機轉(zhuǎn)速之和,當n調(diào)為反轉(zhuǎn)時,n輸出為經(jīng)過星輪調(diào)速器中齒輪變速后的主電機轉(zhuǎn)速與調(diào)速電機轉(zhuǎn)速之差。

    圖3 n輸出與n主、n調(diào)的調(diào)速關(guān)系曲線

    2.3 星輪調(diào)速系統(tǒng)的控制

    星輪調(diào)速系統(tǒng)電氣設(shè)備控制系統(tǒng)的核心部分是低壓變頻器、可編程控制器(PLC)、能量回饋單元。星輪調(diào)速系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)簡圖如圖4。

    圖4 星輪調(diào)速系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)簡圖

    星輪調(diào)速系統(tǒng)電氣控制原理為:根據(jù)設(shè)備運行工藝,通過PLC進行編程,自動控制低壓調(diào)速電機、高壓電機的運行及風門或閥門的開關(guān),根據(jù)設(shè)定的設(shè)備轉(zhuǎn)速計算后,輸出信號控制低壓變頻器的運行頻率,變頻器精準的控制變頻調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速輸出,從而調(diào)節(jié)設(shè)備的轉(zhuǎn)速。當調(diào)速電機正向旋轉(zhuǎn)時,作為驅(qū)動動力輸出功率;當調(diào)控電機反轉(zhuǎn)運行時,調(diào)速電機被拖動產(chǎn)生電能,通過能量回饋單元將產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng),降低能量損耗。

    星輪調(diào)速電氣控制系統(tǒng)采用一鍵式操作,通過編程,在計算機監(jiān)控畫面對設(shè)備進行顯示、參數(shù)設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)存儲、報警記錄等功能。操作可分為就地和遠程兩種模式。本臺風機系統(tǒng)采用計算機遠程控制,控制系統(tǒng)接入集控室PLC系統(tǒng),與原有PLC系統(tǒng)融合,來實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)與生產(chǎn)線設(shè)備的聯(lián)鎖和遠程控制及輸入信號和輸出信號實時監(jiān)測,主要監(jiān)測信號見表1。

    表1 PLC系統(tǒng)輸入、輸出信號列表

    3 應(yīng)用效果

    星輪調(diào)速設(shè)備改造完成后,經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定運行,采集相關(guān)數(shù)據(jù)對比星輪調(diào)速系統(tǒng)和液力耦合器的節(jié)能效果。

    星輪調(diào)速系統(tǒng)主電機功率為800 kW,運行參數(shù)為電壓10 kV,運行電流34.1 A,功率因數(shù)為0.88;低壓調(diào)控電機變頻器電壓為400 V,變頻器電流為370.1 A,功率因數(shù)為0.7。

    電動機消耗功率計算如下:原先采用的液力耦合器的主電機功率為900 kW,電機電壓為10 kV,運行電流為61 A,功率因數(shù)為0.89。

    電動機消耗功率計算如下:

    節(jié)能率ε計算如下:

    對比結(jié)果認為,在風量、風壓等工作狀態(tài)相同的情況下,采用星輪調(diào)速系統(tǒng)的除塵風機消耗電流值明顯降低,節(jié)能效果顯著,說明星輪調(diào)速系統(tǒng)是一種高效率、高可靠性的調(diào)速系統(tǒng)。

    4 結(jié)語

    為了解決鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司回轉(zhuǎn)窯高溫風機液力耦合器低效、電能浪費嚴重的問題,采用了星輪調(diào)速系統(tǒng),既解決了風機長期靠液力耦合器調(diào)速的電能損耗問題,同時有效地改善了風機系統(tǒng)的電機動力不足和運行溫度高等問題,在常用工況條件下,節(jié)能率可達25%以上。實踐表明,該星輪調(diào)速系統(tǒng)可以在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

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