1工程介紹 如何解決設(shè)備運行中存在嚴(yán)重的能源浪費，不但是增強企業(yè)競爭力的要求，更是創(chuàng)建資源節(jié)約型社會的國策的要求。變頻調(diào)速技術(shù)是風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備調(diào)速技術(shù)的首選，也是該類技術(shù)發(fā)展的必然方向。對設(shè)備進(jìn)行變頻改造后，可以大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)設(shè)備的故障率，延長設(shè)備的使用壽命，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會、環(huán)境效益，提高企業(yè)的綜合競爭力和發(fā)展后勁。用直接變頻調(diào)速技術(shù)取代傳統(tǒng)的風(fēng)門擋板風(fēng)量調(diào)節(jié)技術(shù)，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排風(fēng)量，風(fēng)量調(diào)節(jié)的快速性和精確性更好，可以實現(xiàn)節(jié)約電能的目的。 由于歷史原因，中州分公司鍋爐及熟料窯系統(tǒng)絕大部分風(fēng)機(jī)的設(shè)計裕量較大，風(fēng)機(jī)的額定流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生產(chǎn)系統(tǒng)實際所需的風(fēng)量。為了滿足正常生產(chǎn)需要，不得不根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的工作情況調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板的開度，控制空氣流量。由于此類調(diào)節(jié)方式實際是電動機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運行，通過提高管道阻力來控制風(fēng)量的大小，風(fēng)機(jī)長期處于高管阻運行狀態(tài)下，這樣大大增加了系統(tǒng)的管阻，使風(fēng)機(jī)的實際工作點遠(yuǎn)離了額定工作點，降低了系統(tǒng)的運行效率，再加上設(shè)計與實際運行情況相比有較大的設(shè)備動力儲備，設(shè)備存在著“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成了大量的能源浪費。不但影響了企業(yè)單位產(chǎn)品生產(chǎn)成本的降低，而且降低了企業(yè)產(chǎn)品的競爭力，限制了企業(yè)的長期發(fā)展。因此中州分公司決定對熟料窯5#、6#排煙機(jī)和鍋爐5#、6#引風(fēng)機(jī)先進(jìn)行變頻改造。 2可行性分析 我分公司的風(fēng)機(jī)泵類機(jī)械設(shè)備主要進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，以調(diào)節(jié)風(fēng)量、閥門的開口度等方法完成工藝流程的要求。利用變頻裝置對風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制屬于有效的節(jié)電方法，它和一般常用的調(diào)節(jié)風(fēng)門控制風(fēng)量方法比較，有著明顯的節(jié)能效果。 變頻調(diào)速技術(shù)近年在低壓風(fēng)機(jī)水泵類機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用，同時交流變頻調(diào)速技術(shù)也正朝著大容量，高電壓和高性能的方向發(fā)展。在氧化鋁行業(yè)，大量的大功率風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備目前仍采用通過擋板、閥門等方式調(diào)整供應(yīng)流量，由于擋板、閥門等方式是通過提高管道阻力來達(dá)到降低流量的目的的，應(yīng)用中造成了大量的能源浪費，這種工作方式已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需要。并且是影響企業(yè)競爭力的關(guān)鍵因素之一。 用高壓變頻調(diào)速技術(shù)取代傳統(tǒng)的風(fēng)門擋板風(fēng)量調(diào)節(jié)（閥門控制流量）技術(shù)，改變風(fēng)機(jī)（泵類）的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)（流）量，調(diào)節(jié)的快速性和精確性更好，可以實現(xiàn)節(jié)約電能目的。本次改造的相關(guān)設(shè)備的參數(shù)見表1。 3設(shè)備選型及本次風(fēng)機(jī)節(jié)能改造系統(tǒng)控制原理圖 高壓變頻器一般主要有下列幾種方案選擇； 一種為直接高壓控制（高成本），目前以采用美國羅賓康類似的無諧波變頻技術(shù)，由低壓模塊串接起來成為高壓輸出；，其優(yōu)點是極低的諧波，但是需要專用輸入變壓器裝置，投入成本最高，低頻運轉(zhuǎn)時因為IGBT的飽和壓降串聯(lián)產(chǎn)生效率較低的問題。 第一種為三電平（四電平）控制（中等成本）由于功率半導(dǎo)體的耐壓較低，采用串聯(lián)方案以提高輸出電壓，與低壓變頻器技術(shù)類似：差異性在于輸出電壓提高一倍，輸出電流諧波較低等優(yōu)點，比較適用于中壓場合（690～3300 v），容量也屬中等，由于也有使用IGCT高壓功率模塊，所以電壓也可以提高到6000v，但是目前市場應(yīng)用較少。三電平變頻器的結(jié)構(gòu)簡單，但二極管的增多、線路增多，況且每個IGBT的驅(qū)動波形不一致，也必將導(dǎo)致箝位和開關(guān)性能的不一致。功率元件的導(dǎo)通和關(guān)斷是由箝位二極管來保證的。箝位二極管的耐壓要求高，快恢復(fù)性能好，主器件數(shù)量多，致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，而且擴(kuò)展能力有限。 第三種為高低壓控制（低成木）。高低壓控制變頻器指利用變壓器將高壓降為低壓，再購買低壓變頻器裝置驅(qū)動低壓電機(jī)。此系統(tǒng)技術(shù)最成熟，可靠性最高，運行效率最高，投入成本最低，維修服務(wù)方便。中低容量電機(jī)（一般指2000kW以下）最適合使用。變壓器+690V變頻器+專用變頻電機(jī)就屬于此類。 另外還有高一低一高方式，即采用降壓變壓器+低壓變頻器+特殊升壓變壓器+電機(jī)的配置，由于輸出變壓器需特殊制造，成本高，功率因數(shù)低，效率低，自損耗大，笨重。系統(tǒng)性能差，可用于一般工藝調(diào)速，不宜于調(diào)速節(jié)能的應(yīng)用。 本項目實施過程中，從節(jié)能效果上、較短的回收期、日常維護(hù)量和經(jīng)濟(jì)效益等多方面指標(biāo)上來進(jìn)行綜合評價。根據(jù)綜合評價決定采用降壓變壓器+690V變額器+專用690V變頻電機(jī)的配置方式，此種配置運行效率高，投入成本低，維修服務(wù)方便，特別適用于改造項目。通過招標(biāo)方式選用ABBACS800-04系列變頻器?？紤]到排煙機(jī)、引風(fēng)機(jī)都是非常重要的生產(chǎn)設(shè)備，如果變頻調(diào)速裝置出現(xiàn)故障將造成整條熟料窯、鍋爐系統(tǒng)的停產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此設(shè)計上還考慮了工頻與變頻切換回路，用以保證一旦變頻器有故障時能夠用工頻狀態(tài)起動設(shè)備。 4項目實施及運行情況 2006年7月15日，開始高壓變頻改造的調(diào)試和試運行。變頻器運行至今狀態(tài)良好。 4.1節(jié)電分析 5#排煙機(jī)電機(jī)額定功率475kW，額定電流58.2A，平均工作電流為33A，平均負(fù)載率為54％，排煙機(jī)的閥門平均開度為40％。根據(jù)系統(tǒng)運行情況，考慮到排煙機(jī)的調(diào)速范圍和流量調(diào)整范圍，系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造節(jié)能計算分析如下： 由于風(fēng)機(jī)、水泵屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，流量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。而電動機(jī)輸出功率的一般表達(dá)式為 也就是說電動機(jī)的軸功率與電動機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比,變頻改造后排煙機(jī)耗電量計算如下： 變頻排煙機(jī)提供的實際風(fēng)量Q[SUB]2[/SUB]=40％Q[SUB]0[/SUB]，排煙機(jī)的實際轉(zhuǎn)速為N[sub]2[/sub]=40％N[sub]O[/sub] 考慮到變頻裝置、排煙機(jī)效率及送風(fēng)壓力等情況，該值會高于理論計算值．在低速時相差更太，經(jīng)驗值40％額定風(fēng)量變頻改造后實際功率約為額定功率的25％左右，即P[SUB]2[/SUB]=P[SUB]0[/SUB]×0.25=119kW， 年用電量為W[SUB]2[/SUB]=P[SUB]2[/SUB]×24×300=87萬kW•h 由上分析可知，該排煙機(jī)進(jìn)行變頻改造后，年節(jié)電量約為 W=W[SUB]1[/SUB]-W[SUB]2[/SUB]=194-87=107萬kW•h 4.2實際節(jié)電效果 表2是改造后的3#熟料窯5、6#排煙機(jī)實際日耗電量與沒有進(jìn)行改造的2#熟料窯3、4#排煙機(jī)日耗電量對比表。 從實際節(jié)電效果看非常顯著，每天每臺窯節(jié)電6173kW•h。 單臺窯年節(jié)電6173×365=2253 145 kW•h即225萬kW•h左右。 由于目前仍處于試驗期間，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與熟料窯不同工況所需風(fēng)量之間的對應(yīng)關(guān)系仍處于摸索狀態(tài)，目前轉(zhuǎn)速為額定值的90％，實際滿足工藝需求的轉(zhuǎn)速仍有較大下降空間，因此節(jié)電效果應(yīng)更加顯著。 5改造后的效果及分析 1）節(jié)電效果明顯 從實際節(jié)電效果看非常顯著，每天每臺窯節(jié)電6173 kW•h。而中州分公司現(xiàn)在同樣規(guī)格熟料窯7臺，如果均改造實施后，將每天共節(jié)電7×6173=43211 kW•h。 2）風(fēng)量調(diào)節(jié)快速和精確 直接變頻調(diào)速技術(shù)取代傳統(tǒng)的風(fēng)門擋板風(fēng)量調(diào)節(jié)技術(shù)，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排風(fēng)量，風(fēng)量調(diào)節(jié)的快速性和精確性更好。 3）對設(shè)備無沖擊，提高了操作的安全性 改造后風(fēng)機(jī)運行平穩(wěn)、振動降低。 4）實現(xiàn)電機(jī)軟起動功能 減輕了啟動時對電網(wǎng)的沖擊，延長了電機(jī)壽命。 5）諧波干擾達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，諧波抑制效果良好 內(nèi)置的濾波裝置使屯壓諧波含量小于3％，符合IEEE 519-1992和GB/T 14549-1993標(biāo)準(zhǔn)。 本次改造加裝的ABB duldt濾波器起到了保護(hù)電機(jī)絕緣、減少軸承電流的作用。電纜選型及施工嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，如動力電纜采用對稱屏蔽電纜，控制電纜同動力纜分層敷設(shè)、正確接地等。 6）各種保護(hù)功能完善 過流、過壓、欠壓、故障保護(hù)等功能可靠。 7）各種指示功能完備 具有輸入、輸出電流和電壓、運行頻率、故障顯示、運行狀態(tài)指示等功能。 8）操作簡便 同普通的ABB低壓變頻器的功能操作方式相似，功能設(shè)置和調(diào)整簡單方便。在上位機(jī)層次調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速簡便可靠。 9）排煙機(jī)、引風(fēng)機(jī)設(shè)備運行規(guī)律進(jìn)行了探索，逐步建立風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與工藝參數(shù)之間的最佳對應(yīng)關(guān)系。相應(yīng)的設(shè)備操作規(guī)程進(jìn)行了重建。 綜上所述項目實施后，節(jié)電效果顯著，同時實現(xiàn)了風(fēng)量的精確調(diào)整，操作非常簡單清晰，并且系統(tǒng)可以反饋大量的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，大大降低了現(xiàn)場操作人員的工作強度，提高了操作的舒適度。