摘要：本文介紹了風(fēng)光高壓變頻器在漢源錦泰礦業(yè)有限公司沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用情況。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，采用高壓變頻器對(duì)沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速節(jié)能，節(jié)能效果是明顯的。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器,沸騰焙燒爐,羅茨鼓風(fēng)機(jī),節(jié)能

1用戶簡(jiǎn)介

漢源錦泰礦業(yè)有限公司是一家股份制民營(yíng)企業(yè)，具有日處理鉛鋅礦石4000噸，年產(chǎn)0號(hào)、1號(hào)鋅錠50000噸、硫酸62000噸、鋅焙砂54000噸，日處理電解鋅廢渣200噸的生產(chǎn)能力；總投資已達(dá)12億多元人民幣，已發(fā)展成集鉛鋅礦開(kāi)采、浮選、焙燒制酸、冶煉和廢渣綜合利用為一體的集團(tuán)化公司，是我國(guó)西部地區(qū)設(shè)備、工藝和技術(shù)較先進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量最好、生產(chǎn)能力較大、銷量較大的鉛鋅生產(chǎn)企業(yè)之一。漢源錦泰礦業(yè)有限公司有一座40m2沸騰焙燒爐，而羅茨鼓風(fēng)機(jī)又是沸騰焙燒爐的心臟設(shè)備，在2014年設(shè)備節(jié)能改造中，對(duì)羅茨鼓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)，取得了較好效果。現(xiàn)場(chǎng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)如下表1、表2所示。

2沸騰焙燒爐

2.1沸騰焙燒爐介紹

沸騰焙燒以流態(tài)化技術(shù)為基礎(chǔ)。固體顆粒在氣流的作用下，構(gòu)成流態(tài)化床層似沸騰狀態(tài)，被稱作流態(tài)化床或沸騰床。這樣礦石可在沸騰狀態(tài)下進(jìn)行加熱還原，有利于提高焙燒礦質(zhì)量。焙燒過(guò)程有反應(yīng)熱放出，產(chǎn)生含有二氧化硫的氣體主要用來(lái)制造硫酸，礦渣則用作冶金原料。硫化礦沸騰焙燒技術(shù)是50年代初聯(lián)邦德國(guó)的巴登苯胺純堿公司和美國(guó)的多爾公司分別開(kāi)發(fā)的。沸騰焙燒爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1結(jié)構(gòu)示意圖

沸騰焙燒爐爐體（見(jiàn)圖1）為鋼殼內(nèi)襯保溫磚再襯耐火磚構(gòu)成。為防止冷凝酸腐蝕，鋼殼外面有保溫層。爐子的最下部是風(fēng)室，設(shè)有空氣進(jìn)口管，其上是空氣分布板?？諝夥植及迳鲜悄突鸹炷翣t床，埋設(shè)有許多側(cè)面開(kāi)小孔的風(fēng)帽。爐膛中部為向上擴(kuò)大的圓錐體，上部焙燒空間的截面積比沸騰層的截面積大，以減少固體粒子吹出。沸騰層中裝有廢熱鍋爐的冷卻管，爐體還設(shè)有加料口、礦渣溢流口、爐氣出口、二次空氣進(jìn)口、點(diǎn)火口等接管。爐頂有防爆孔。

2.2沸騰焙燒爐工作原理

沸騰焙燒爐工作原理是利用流態(tài)化技術(shù)，是參與反應(yīng)或熱、質(zhì)傳遞的氣體和固體充分接觸，實(shí)現(xiàn)他們之間最快的傳質(zhì)，傳熱賀棟梁傳遞速度，獲得最大的設(shè)備生產(chǎn)能力。

（1）流化床的形成

當(dāng)流體的氣流速度繼續(xù)增大到一定值，床層開(kāi)始膨脹和變松，全部顆粒都懸浮在向上流動(dòng)的流體中，形成強(qiáng)力攪渾流動(dòng)。這種具有流體的某些表觀特征的流-固混合床成為流化床。在氣-固流化床中，形成顆粒強(qiáng)烈翻滾，故又稱為沸騰床。

（2）流態(tài)化范圍與操作速度

從臨界速度開(kāi)始流態(tài)化，到帶出速度下流化床開(kāi)始破壞這一速度范圍成為流態(tài)化范圍。它是選擇操作流態(tài)化速度的上下極限。流態(tài)化范圍越寬，流化床的操作越穩(wěn)定。這一范圍大小可以用帶出速度與臨界速度的比來(lái)表示。理論和實(shí)際證明，顆粒月細(xì)則流態(tài)化范圍越小，不規(guī)則的寬篩分物料的流態(tài)化范圍比球形粒子的要小。

實(shí)際上多數(shù)工業(yè)流化床內(nèi)粒級(jí)分布較寬，所以合理的操作速度應(yīng)是絕大部分顆粒正常流態(tài)化而又不大于某一指定粒級(jí)的帶出速度。一般根據(jù)林杰流態(tài)化速度并利用流態(tài)化指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定操作氣流速度。

3沸騰焙燒爐變頻節(jié)能原理

沸騰焙燒爐是利用流態(tài)化技術(shù)的熱工設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于鋅精礦的焙燒。它具有氣-固相間傳熱質(zhì)速度快、層內(nèi)溫度均勻、產(chǎn)品質(zhì)量好、沸騰層與冷卻水套之間傳熱系數(shù)大、生產(chǎn)率高、操作簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

鋅精礦的主要物相組成為ZnS，約占70%以上。在沸騰焙燒爐內(nèi)焙燒時(shí)主要化學(xué)反應(yīng)式為：ZnS+O2→ZnO+SO2，該反應(yīng)屬放熱反應(yīng)，放出的熱量除用于維持爐內(nèi)的焙燒溫度，大部分由高溫?zé)煔饧袄鋮s水帶走。沸騰爐空氣需要量為20000Nm3/h。通過(guò)對(duì)沸騰爐層及管網(wǎng)阻力損失的計(jì)算，爐子正常生產(chǎn)時(shí)，空氣壓力為12500-13500Pa。但考慮到開(kāi)爐及處理異常情況時(shí)的工藝要求，所選風(fēng)機(jī)的富裕量達(dá)50%以上，這樣使風(fēng)機(jī)的能力不能充分發(fā)揮。

由于沸騰爐羅茨鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓的余量很大，正常工作時(shí)必須將其調(diào)至合理的工況，另外隨著爐子的產(chǎn)量和鋅精礦成分的變化，風(fēng)機(jī)的工況也須調(diào)整。為了調(diào)節(jié)送風(fēng)量在送風(fēng)管上放風(fēng)，調(diào)節(jié)范圍雖大，但浪費(fèi)極大，風(fēng)機(jī)放空噪音很大，嚴(yán)重影響了周圍居民的生活；較好的辦法是采用變頻調(diào)速裝置。電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，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，是電動(dòng)機(jī)最為合理的調(diào)速方法。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式為n＝60f/p（1-s），可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)電流頻率可調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從理論上講，風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)可以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的流量、壓力，軸功率的變化就更明顯。

漢源錦泰礦業(yè)有限公司領(lǐng)導(dǎo)基于節(jié)約能源降低成本，和降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪音兩方面考慮，決定選用變頻器對(duì)原設(shè)備進(jìn)行改造。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-450F（450kW/10kV）高壓變頻器對(duì)沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。

4新風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

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(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)。產(chǎn)品2003年被列為國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品，高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)2005年被列為國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目，獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助。2007年，高壓變頻器被評(píng)為中國(guó)名牌產(chǎn)品，是國(guó)內(nèi)高壓變頻器行業(yè)為數(shù)不多的兩個(gè)名牌產(chǎn)品之一。具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，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)矢量控制技術(shù)，通過(guò)測(cè)量和控制交流電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)。

(3)快速飛車啟動(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)。在變頻器受到負(fù)載沖擊保護(hù)后可對(duì)其自動(dòng)復(fù)位，然后再自動(dòng)啟動(dòng)，即可避免重要場(chǎng)合（如水泥廠高溫風(fēng)機(jī)）變頻保護(hù)停機(jī)造成的損失。快速飛車啟動(dòng)技術(shù)可實(shí)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(yùn)行。

(4)工頻/變頻無(wú)擾切換技術(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)用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。

(5)電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟，可提供最長(zhǎng)60s的等待時(shí)間。

(6)線電壓自動(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電壓均衡輸出。

(7)振蕩抑制技術(shù)，電機(jī)輕載或者空載的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時(shí)電流幅值波動(dòng)很大，電流的振蕩有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)檫^(guò)流或過(guò)壓而觸發(fā)保護(hù)。新風(fēng)光公司采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。

(8)多機(jī)主從控制技術(shù)，變頻器具備主從控制功能，多臺(tái)變頻器之間可通過(guò)數(shù)據(jù)總線組成主從控制網(wǎng)絡(luò)。將其中的一臺(tái)設(shè)為主機(jī)，其他設(shè)為從機(jī)，主機(jī)實(shí)時(shí)采集各從機(jī)的狀態(tài)信息，同時(shí)發(fā)送給各從機(jī)頻率、轉(zhuǎn)矩指令，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術(shù)適用于皮帶機(jī)、摩擦式提升機(jī)等需要功率平衡控制的場(chǎng)合。

(9)輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測(cè)各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓功能。避免電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。

(10)故障單元熱復(fù)位技術(shù)，若單元在運(yùn)行中故障，且變頻器對(duì)其旁路繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)可在運(yùn)行中對(duì)故障單元進(jìn)行復(fù)位，不必等變頻器停機(jī)。

（11）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。

（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(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。

（13）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)。

（14）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(chǎng)給定、通訊給定等支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能。

5高壓變頻器主回路控制方案

高壓變頻器設(shè)備安裝在風(fēng)機(jī)值班室內(nèi)，原高壓柜至電機(jī)的高壓電纜用做改造時(shí)電機(jī)至變頻器連接電纜，變頻器至高壓柜電纜重新敷設(shè)，同時(shí)敷設(shè)集控室至高壓變頻器的控制電纜用于變頻器的遠(yuǎn)程控制，采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)及信號(hào)反饋。此外還需敷設(shè)一根高壓柜至變頻器的控制電纜，用于高壓柜合閘允許和高壓柜緊急分閘控制。

一次接線如圖2所示。

圖2手動(dòng)旁路柜

圖2旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)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(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K3斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時(shí)，絕對(duì)不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)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)?rdquo;信號(hào)與旁路柜“變頻投入”信號(hào)串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開(kāi)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(shí)，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(wú)效。

保護(hù)：保持原有對(duì)電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。

6焙燒爐風(fēng)機(jī)改造運(yùn)行情況

沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機(jī)高壓變頻器2014年4月一次正式投入運(yùn)行，至今運(yùn)行正常。改造達(dá)到了預(yù)期目的。羅茨鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)電流大大減小，風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲大大降低。變頻運(yùn)行后，送風(fēng)管上防風(fēng)管關(guān)閉，根據(jù)焙燒爐生產(chǎn)量的大小，隨時(shí)調(diào)節(jié)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小，滿足生產(chǎn)沸騰爐的工藝要求，而且現(xiàn)場(chǎng)人員操作非常方便。

6.1節(jié)能計(jì)算

2014年5月漢源錦泰公司節(jié)能服務(wù)中心隨機(jī)對(duì)羅茨鼓風(fēng)機(jī)高壓變頻器進(jìn)行了測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表3，沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)取0.8，電源電壓10.20kV，計(jì)算每小時(shí)耗電為：315.2kW。沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)為0.97，變頻輸入電壓10.20kV，計(jì)算每小時(shí)耗電為：123.4kW。較工頻運(yùn)行時(shí)每小時(shí)節(jié)約電量191.8kW。每年運(yùn)行300d，每天運(yùn)行24h，那么年節(jié)約電量：191.8kW×24h×300d=138.096萬(wàn)kW•h。

通過(guò)以上變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)，在與生產(chǎn)工況基本相同的工頻運(yùn)行相比，電機(jī)電流、消耗功率大大減小，節(jié)能效果是非常明顯的。

6.2間接效益

（1）提高控制精度，安裝變頻器后，引入壓力反饋信號(hào)，采用變頻器的PID閉環(huán)控制或DCS控制轉(zhuǎn)速自動(dòng)保持生產(chǎn)所需風(fēng)壓，從而提高了壓力控制精度，而且與閥門相比更直觀，方便調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)滿足生產(chǎn)需要。

（2）有效地改善了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境。采用變頻調(diào)速后，大大減少了風(fēng)機(jī)管道震動(dòng)頻率和噪音。消除了風(fēng)機(jī)的旁路放空噪聲，解決了風(fēng)機(jī)擾民問(wèn)題，改善了工人的工作環(huán)境。

（3）減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

由于采用了變頻調(diào)速技術(shù),電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速平穩(wěn),不存在啟動(dòng)電流沖擊,減少了羅茨鼓風(fēng)機(jī)出口壓力瞬間提高對(duì)風(fēng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊,而且羅茨鼓風(fēng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)都處于相對(duì)額定轉(zhuǎn)速較低的轉(zhuǎn)速上，因而其零部件的機(jī)械磨損減少,降低了維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)使用壽命。

7結(jié)束語(yǔ)

綜合看來(lái)，漢源錦泰礦業(yè)有限公司沸騰焙燒爐羅茨鼓風(fēng)機(jī)采用高壓變頻器進(jìn)行改造后，提高了沸騰焙燒爐風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，降低了鋅錠的生產(chǎn)成本，對(duì)保證沸騰焙燒爐的安全運(yùn)行起著重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]山東新風(fēng)光電子使用手冊(cè)[Z]山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司

作者簡(jiǎn)介

徐西甲，技術(shù)支持工程師，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司。

張建忠，高級(jí)工程師，漢源錦泰礦業(yè)有限公司鋅焙砂廠廠長(zhǎng)。