1引言

電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中排出的煙氣含有有害物質(zhì)，其中主要為氟化物和氧化鋁粉塵，為了防止這些有害物質(zhì)造成的污染，需將這些有害氣體和粉塵集中進(jìn)行凈化處理，使煙氣中的有害物質(zhì)排放量達(dá)到國(guó)家要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。

電解鋁廠排煙風(fēng)機(jī)是電解鋁凈化系統(tǒng)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其電能消耗占系統(tǒng)動(dòng)力消耗的50%以上。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)通過(guò)改變風(fēng)門(mén)擋板改變風(fēng)量，采用變頻調(diào)速技術(shù)，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)排風(fēng)量比傳統(tǒng)的改變風(fēng)門(mén)擋板調(diào)節(jié)技術(shù)更快和更精確，還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并達(dá)到節(jié)約電能的目的。為降低單位產(chǎn)能的耗電量，提高生產(chǎn)效率，實(shí)施節(jié)能改造勢(shì)在必行。

2用戶(hù)設(shè)備介紹

廣西信發(fā)鋁電有限公司是山東信發(fā)集團(tuán)實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，在廣西百色靖西投資興建的一家集發(fā)電、礦山、氧化鋁、碳素、鋁深加工等產(chǎn)業(yè)于一體的現(xiàn)代化企業(yè)。集團(tuán)總公司山東信發(fā)集團(tuán)始建于1972年，廣西信發(fā)鋁電有限公司一期工程包括3×155MW發(fā)電機(jī)組、160萬(wàn)噸氧化鋁、16萬(wàn)噸電解鋁礦山的選礦、洗礦等輔助工程。

廣西信發(fā)鋁電有限公司電解鋁廠的排煙系統(tǒng)配置4臺(tái)風(fēng)機(jī)，采用兩用兩備。排煙風(fēng)機(jī)作用是使電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)布袋除塵器內(nèi)形成負(fù)壓，利于電解鋁煙氣的凈化、分離，凈化后氣體通過(guò)煙囪排空，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，通過(guò)排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門(mén)（擋板）調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門(mén)（調(diào)節(jié)擋板）開(kāi)度在60%～70%左右，約有30%～40%能量都被消耗在擋板上，由于擋板故障率高，調(diào)節(jié)延遲，加之擋板節(jié)流產(chǎn)生壓力損失、增加管網(wǎng)的損耗，耗用大量的能源，不能適應(yīng)復(fù)雜工況下工藝的實(shí)際需要，造成大馬拉小車(chē)，嚴(yán)重浪費(fèi)能源。因此對(duì)排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻技術(shù)改造，對(duì)降低排煙風(fēng)機(jī)用電量，提高經(jīng)濟(jì)效益起到重要作用。

為了降低排煙風(fēng)機(jī)的用電，提高煙氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行效率，信發(fā)鋁電公司電解鋁廠領(lǐng)導(dǎo)決定在排煙風(fēng)機(jī)上采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的2套800kW/10kV高壓變頻器對(duì)1#～4#排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速改造，改造取得了成功。排煙風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)如下。

現(xiàn)場(chǎng)1#～4#排煙風(fēng)機(jī)型號(hào)相同，以1#排煙風(fēng)機(jī)為例介紹其參數(shù)。

3風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

2007年9月，風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國(guó)名牌”稱(chēng)號(hào)，山東新風(fēng)光是國(guó)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(wú)速度矢量控制技術(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IEE519-1992的諧波國(guó)家標(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(bǔ)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(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機(jī)。

3.1JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)

JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

3.2JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)性能

具體來(lái)說(shuō)，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(diǎn)：

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。

(2)飛車(chē)啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。

(3)完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應(yīng)于無(wú)備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程不會(huì)對(duì)用戶(hù)設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。

(4)旋轉(zhuǎn)中再啟動(dòng)功能。運(yùn)行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動(dòng)運(yùn)行到掉電前的頻率。

(5)線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線(xiàn)電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線(xiàn)電壓均衡輸出。

(6)單元直流電壓檢測(cè)：實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)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(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。

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

(8)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(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)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。

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

(10)故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過(guò)電流保護(hù)時(shí)，可自動(dòng)復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。

4排煙風(fēng)機(jī)變頻控制原理

根據(jù)生產(chǎn)需要，煙氣凈化系統(tǒng)裝置運(yùn)行正常時(shí)，總管壓力要保持在一定的負(fù)壓，才能滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)正常的需求。下面就以總管煙氣壓力控制來(lái)說(shuō)明本系統(tǒng)的控制原理與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖1排煙機(jī)變頻控制原理圖

如圖1所示，檢測(cè)排總管煙氣壓力，因?yàn)楫?dāng)布袋除塵器內(nèi)外壓差太大時(shí)，其中的煙氣沒(méi)有被除掉，就被直接吸出，影響凈化效果。為了保證煙氣凈化過(guò)程順暢進(jìn)行，DCS接受壓力變送器傳輸過(guò)來(lái)的壓力信號(hào)，按照既定算法進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)壓力差超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，DCS發(fā)出4～20mA或0～5V的信號(hào)來(lái)降低變頻器的頻率，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行來(lái)降低總管煙氣壓力到目標(biāo)值；當(dāng)壓力差低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，DCS發(fā)出4～20mA或0～5V的信號(hào)來(lái)升高變頻器的頻率，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)升速運(yùn)行來(lái)升高總管煙氣壓力到目標(biāo)值。當(dāng)然，也可以人工操作DCS，來(lái)調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。操作更加方便，這樣提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時(shí)，變頻器可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)組DCS系統(tǒng)的信息傳遞，可完成自診斷、報(bào)警和接收指令的功能。

5變頻改造主回路介紹

電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)采用四臺(tái)離心風(fēng)機(jī)，這四臺(tái)排風(fēng)機(jī)采用兩用兩備。本系統(tǒng)選用兩臺(tái)山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-800F型高壓變頻器，采用一拖二手動(dòng)旁路方案。一臺(tái)變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)可以切換到工頻運(yùn)行；并且變頻器旁路部分具有互鎖功能，確保兩臺(tái)電機(jī)不出現(xiàn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，同一電機(jī)不出現(xiàn)變頻、工頻同時(shí)驅(qū)動(dòng)。

電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)變頻改造采用1#、2#排風(fēng)機(jī)共用一套高壓變頻器，3#、4#排風(fēng)機(jī)共用一套高壓變頻器。以1#、2#排風(fēng)機(jī)為例說(shuō)明其控制思路，其一次系統(tǒng)接線(xiàn)圖路如圖2所示，通過(guò)切換高壓隔離開(kāi)關(guān)把高壓變頻器切換到要運(yùn)行的排風(fēng)機(jī)上去。如圖所示高壓變頻器可以拖動(dòng)1#排風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行，也可以通過(guò)切換拖動(dòng)2#排風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。兩排風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)均具備工頻旁路功能。

圖2高壓變頻一次系統(tǒng)接線(xiàn)圖

QF1和QF2分別為現(xiàn)場(chǎng)1#和2#排風(fēng)機(jī)電源高壓斷路器；

QS11和QS21分別為1#、2#排風(fēng)機(jī)電源高壓隔離開(kāi)關(guān)；

QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開(kāi)關(guān)柜高壓隔離開(kāi)關(guān)；

變頻器為風(fēng)光JD-BP38-800F高壓變頻器。

高壓變頻器旁路開(kāi)關(guān)柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，變頻器運(yùn)行時(shí)，要求QS11和QS21同時(shí)閉合。QS12閉合，QS22斷開(kāi)，QS13斷開(kāi)，1#排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行；QS12斷開(kāi)，QS13閉合，1#排風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行；QS22閉合，QS12斷開(kāi)，QS23斷開(kāi)，2#排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行；QS22斷開(kāi)，QS23閉合，2#排風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行；其中，QS12與QS13、QS22實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，QS22與QS23、QS12實(shí)現(xiàn)電氣互鎖；將控制柜“遠(yuǎn)控/本控”開(kāi)關(guān)打至“遠(yuǎn)控”位置，將相應(yīng)排風(fēng)機(jī)斷路器“就地/遠(yuǎn)方”開(kāi)關(guān)打至“遠(yuǎn)方”位置，可實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)控操作。

6排煙風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能情況

6.1變頻節(jié)能分析

電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)兩臺(tái)高壓變頻器于2012年7月3日一次正式投入運(yùn)行，至今運(yùn)行正常。排煙風(fēng)機(jī)高壓變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖3所示。變頻運(yùn)行后，風(fēng)門(mén)全部打開(kāi)，根據(jù)電解鋁煙氣量的大小，隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小，滿(mǎn)足生產(chǎn)收塵的負(fù)壓要求，而且現(xiàn)場(chǎng)人員操作非常方便。

圖3高壓變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

以1#排風(fēng)機(jī)為例計(jì)算變頻改造后節(jié)能效果。

（1）1#排風(fēng)機(jī)工頻時(shí)消耗的功率P工頻計(jì)算：輸入電壓10.4kV，功率因數(shù)：0.86，實(shí)際工作電流：49A，P工頻=1.732×I×U×COSФ=1.732×49A×10.4kV×0.86=759kW。

（2）1#排風(fēng)機(jī)變頻時(shí)消耗的功率P變頻計(jì)算：運(yùn)行頻率：42Hz，輸入電壓10.4kV，功率因數(shù)：0.96，輸入電流：33.4A，

P變頻=1.732×I×U×COSФ=1.732×33.4A×10.4kV×0.96=578kW。

變頻后相對(duì)于工頻擋板調(diào)節(jié)時(shí)節(jié)省的電量為：ΔP=P工頻-P變頻=759kW-578kW=181kW。

1#排風(fēng)機(jī)變頻前后節(jié)電率為：η=（ΔP/P工頻）×100%=（181kW/759kW）×100%=23.8%。

1#排風(fēng)機(jī)年運(yùn)行按300天計(jì)算，電價(jià)按0.4元計(jì)算，1#排風(fēng)機(jī)變頻改造后一年可節(jié)約的電費(fèi)：（P工頻-P變頻）×24h×300d×0.4元/kW•h=521280元。兩臺(tái)高壓變頻器一年可節(jié)省電費(fèi)約100萬(wàn)元。

6.2其他效益

(1)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的軟啟動(dòng)、軟停止。避免了啟動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備的電氣和機(jī)械沖擊，使風(fēng)機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)。

(2)運(yùn)行工況改善，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低。

隨著電解鋁凈化系統(tǒng)除塵的需要，調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，滿(mǎn)足除塵生產(chǎn)工藝的需要，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境大為改善，工作強(qiáng)度大大降低。

(3)延長(zhǎng)了電機(jī)、風(fēng)機(jī)的使用壽命，提高了風(fēng)機(jī)的利用效率。原排煙風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，維護(hù)工作量大，檢修費(fèi)用高，采用變頻技術(shù)調(diào)速后，減少了機(jī)械磨損，保證了風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

(4)調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高。

排煙風(fēng)機(jī)的風(fēng)量經(jīng)常需要根據(jù)電解鋁產(chǎn)生煙氣多少進(jìn)行調(diào)節(jié)，在過(guò)去擋板調(diào)節(jié)時(shí)，出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)度與流量的非線(xiàn)形問(wèn)題，致使調(diào)節(jié)失誤，采用變頻拖動(dòng)風(fēng)機(jī)可以在0～50Hz范圍內(nèi)任意調(diào)速，調(diào)速精度高，可保持在0.1～0.01Hz范圍內(nèi)工作，易于實(shí)現(xiàn)煙氣凈化系統(tǒng)自動(dòng)化控制。

(5)變頻器具有多項(xiàng)保護(hù)功能，十分完善。

與原系統(tǒng)相比較，變頻器具有過(guò)流、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、溫升保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)功能，更精確地保護(hù)了電機(jī)。

7結(jié)束語(yǔ)

綜合看來(lái)，1#～4#電解鋁煙氣凈化排風(fēng)機(jī)采用高壓變頻器進(jìn)行改造，大大提高廣西信發(fā)鋁電有限公司煙氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低了電解鋁的生產(chǎn)成本，對(duì)保證電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著重要的作用。