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1 改造前狀況

首鋼水城鋼鐵集團有一臺配料除塵風(fēng)機，拖動(dòng)電機功率為10kV/500kW，原風(fēng)機采用進(jìn)、出口風(fēng)門(mén)擋板來(lái)進(jìn)行風(fēng)門(mén)的調節以控制流量，在調節風(fēng)門(mén)時(shí)，很多電能白白浪費，并對機械設備的性能有很大損害。風(fēng)機運行時(shí)噪音較大，不利于環(huán)境保護。變頻調速技術(shù)是現代電氣傳動(dòng)的主要發(fā)展方向之一，它不僅調速性能優(yōu)越，而且節能效果良好。目前，我國大型配套風(fēng)機主要采用進(jìn)、出口風(fēng)門(mén)擋板、進(jìn)口軸向導流器、進(jìn)口靜葉調節器等方法進(jìn)行風(fēng)門(mén)的調節以控制流量，其缺點(diǎn)是節流損失大，增加風(fēng)機的功率消耗，系統震動(dòng)大、噪聲大、對環(huán)境造成惡劣的影響，同時(shí)調節閥門(mén)有時(shí)處于很高壓力下工作，容易磨損和損壞。由于定速風(fēng)機啟動(dòng)轉矩配置的電動(dòng)機容量比風(fēng)機的額定容量大很多，在低負荷區，電動(dòng)機工作效率很低，能源浪費嚴重。所以對除塵風(fēng)機進(jìn)行變頻調速和增加保護功能，通過(guò)對高壓變頻調速技術(shù)的研究，擬定使用該調速系統來(lái)進(jìn)行調速控制，取代傳統的擋風(fēng)板、節流閥來(lái)控制風(fēng)量和流量，以求達到理想的實(shí)用效果。

2變頻調速的節能原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一種頻率的電能控制裝置。變頻器主要用于交流電動(dòng)機（異步電機或同步電機）轉速的調節，是國際公認的交流電機最理想、最有前途的調速方案。

異步電動(dòng)機的變頻調速在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動(dòng)機最為合理的調速方法。

由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動(dòng)機的同步轉速。異步電動(dòng)機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前，變頻調速已成為異步電動(dòng)機最主要的調速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應用。

高壓變頻調速具有如下顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）由負載檔板或閥門(mén)調節導致的大量節流損失，在變頻改造后不再有節流損失。

（2）網(wǎng)側功率因數明顯提高。

（3）可實(shí)現零轉速啟動(dòng)，避免啟動(dòng)沖擊電流，減輕了沖擊扭振。

（4）高壓變頻器本身?yè)p耗極小，整機效率在97％以上。

對離心式風(fēng)機而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：

Q₁/Q₂＝n₁/n₂，H₁/H₂＝(n₁/n₂)²，P₁/P₂＝(n₁/n₂)³

當風(fēng)機風(fēng)量需要改變時(shí)，如調節風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，則會(huì )使大量電能白白消耗在閥門(mén)及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時(shí)，當風(fēng)機低于額定轉速時(shí)，理論節電為：

E=〔1-( n′/n)³〕×P×T (kW·h)

式中： n是額定轉速，n′是實(shí)際轉速，P是額定轉速時(shí)電機功率，T是工作時(shí)間。

可見(jiàn)，通過(guò)變頻對風(fēng)機進(jìn)行改造，不但節能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。

3現場(chǎng)設備情況

首鋼水城鋼鐵集團燒結配料除塵風(fēng)機電機現場(chǎng)如圖1所示。參數如表1、表2所示。

圖1 配料除塵風(fēng)機現場(chǎng)照片

為了節能降耗，提高風(fēng)機的調節性能，在2021年節能改造中，首鋼水城鋼鐵集團領(lǐng)導決定采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-710F變頻調速器在該配料除塵風(fēng)機上實(shí)施改造，改造達到了預期目的。

4風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱(chēng)號，新風(fēng)光公司是國家高新技術(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)速度傳感器矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(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。

4.1 JD-BP38-710F高壓變頻器技術(shù)指標

JD-BP38-710F高壓變頻器技術(shù)指標如表3所示。

4.2 JD-BP38-710F高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

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)高性能矢量控制，啟動(dòng)轉矩大，轉矩動(dòng)態(tài)響應快，調速精度高，帶負載能力強，提高設備運行的平穩性；

(2)振蕩抑制技術(shù)，采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統穩定可靠的工作；

(3)快速飛車(chē)啟動(dòng)技術(shù)，特別適用于（如水泥廠(chǎng)高溫風(fēng)機）變頻保護后的重新啟動(dòng)，可實(shí)現變頻器在0.1s之內從保護狀態(tài)復位重新帶載運行；

(4)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(cháng)60s的等待時(shí)間；

(5)線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)。變頻器某相有單元故障后，可保證最大的線(xiàn)電壓均衡輸出；

(6)工、變頻無(wú)擾切換技術(shù)，該技術(shù)可滿(mǎn)足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動(dòng)的需要；可以實(shí)現大容量電機雙向無(wú)擾動(dòng)投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行；

(7)輸出電壓自動(dòng)穩壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測各單元母線(xiàn)電壓，根據母線(xiàn)電壓調整輸出電壓，從而實(shí)現自動(dòng)穩壓功能；

(8)故障單元熱復位技術(shù)，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時(shí)可在運行中對故障單元進(jìn)行復位，不必等變頻器停機；

(9)多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設定可以現場(chǎng)給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能；

(10)單元直流電壓檢測：實(shí)時(shí)顯示檢測系統的直流電壓，從而實(shí)現輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實(shí)現對功率單元運行狀況的全面把握；

(11)單元內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；

(12)具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設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功能，將會(huì )導致重大事故。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，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生；

(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過(guò)設定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負載突然變化而引起的過(guò)流保護，最大限度減少停機次數；

(14)故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過(guò)電流保護時(shí)，可自動(dòng)復位，繼續運行。

5改造系統方案介紹

燒結配料除塵風(fēng)機目前的控制方式主要根據生產(chǎn)工藝需求風(fēng)量的大小，通過(guò)高壓變頻器實(shí)時(shí)調整風(fēng)機電機頻率來(lái)實(shí)現調節風(fēng)機風(fēng)量。采用變頻器后保持進(jìn)擋板全開(kāi)，系統可隨時(shí)隨意改變送風(fēng)量以適應變化，保持風(fēng)機的高效運行。

通過(guò)目前已有的DCS系統調節變頻器頻率來(lái)調節風(fēng)機風(fēng)量。利用DCS對變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停機、調速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監控系統運行。操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。變頻器內置PLC，用于柜體內開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS485)的協(xié)調，并且可以根據用戶(hù)的需要擴展控制開(kāi)關(guān)量，增強了系統的靈活性。利用高壓變頻器根據實(shí)際需要對配料除塵風(fēng)機進(jìn)行變負荷運行，既保證和改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。

此外，為了保證系統的可靠性燒結除塵風(fēng)機現有的控制設備和運行方式仍將保留，控制回路上設計工頻/變頻運行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實(shí)現配料除塵風(fēng)機在工頻或變頻運行。

6 高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案

6.1高壓變頻器主回路控制方案

根據現場(chǎng)要求，配料除塵風(fēng)機采用“一拖一”運行方式，配置手動(dòng)旁路柜，其一次電路如圖2所示。

圖2 手動(dòng)旁路柜

系統10kV高壓開(kāi)關(guān)柜至風(fēng)光高壓變頻器，風(fēng)光高壓變頻器與電機相連，通過(guò)調節電機的轉速來(lái)調節風(fēng)量，電機與風(fēng)機間不用做任何改動(dòng)，且變頻調節時(shí)風(fēng)門(mén)檔板可全開(kāi)。

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)機構，實(shí)現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當K1、K3斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，電機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護和調試。

旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時(shí)，絕對不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(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，當變頻器出現故障時(shí)，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無(wú)效。

6.2高壓變頻器控制邏輯

圖3變頻器控制邏輯示意圖

變頻器控制邏輯示意圖如圖3所示，利用DCS控制系統的預留點(diǎn)，設計高壓變頻控制、運行監視系統，系統包括工、變頻的運行、停止命令按鈕；轉速調節按鈕；變頻器復位按鈕、緊急停止按鈕；變頻器運行電流、電機轉速顯示；高壓柜以及變頻合閘顯示；變頻器故障報警顯示。

DCS系統輸出 4~20mA電流信號控制JD-BP38高壓變頻調速系統的運行頻率， 來(lái)控制電機的運行轉速。JD-BP38高壓變頻調速系統反饋4~20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調速系統的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調速系統同時(shí)接收DCS控制系統的啟動(dòng)、停止、急停、復位控制信號，調整運行狀態(tài)。

當JD-BP38高壓變頻調速系統故障時(shí)，系統輸出故障停機和報警信息，用于提示用戶(hù)啟動(dòng)故障處理措施，同時(shí)JD-BP38高壓變頻調速系統將信號發(fā)送給DCS，在DCS系統上顯示故障，以便于及時(shí)的排除故障。如果系統出現緊急情況，DCS監視人員立即點(diǎn)擊變頻器緊急停止按鈕，此時(shí)變頻器立即封鎖輸出，并及時(shí)跳開(kāi)高壓斷路器開(kāi)關(guān)。

為保證JD-BP38高壓變頻調速系統操作的安全性，需從改造電機的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜把斷路器的狀態(tài)信號接入JD-BP38高壓變頻調速系統。JD-BP38高壓變頻調速系統輸出的故障跳閘信號接入斷路器的分閘回路，連跳高壓信號接入安全回路，當出現嚴重故障時(shí)及時(shí)跳開(kāi)斷路器，保護JD-BP38高壓變頻調速系統及電機。

當所有開(kāi)機條件都具備后，DCS發(fā)出變頻運行命令，變頻器內置PLC發(fā)出“合閘”信號至10kV高壓柜，高壓斷路器開(kāi)關(guān)合閘，變頻器進(jìn)行軟充電，5S后充電完成，變頻器處于就緒狀態(tài)，由DCS給出4~20mA信號控制變頻器頻率來(lái)改變電機轉速。

7 變頻改造后運行情況

7.1節能效果

2021年8月下旬，新風(fēng)光公司高壓變頻器正式投入生產(chǎn)，系統達到了預期的效果。配料除塵風(fēng)機監控系統如圖4所示，高壓變頻器設備現場(chǎng)運行照片如圖5所示。

圖4 配料除塵風(fēng)機監控系統界面

圖5 高壓變頻器現場(chǎng)運行照片

經(jīng)過(guò)鋼廠(chǎng)能源利用監測中心測試，實(shí)施變頻改造后，風(fēng)機電機運行電流下降明顯，設備實(shí)現了軟起動(dòng)，設備運行噪聲大大降低，極大地減輕了設備起動(dòng)時(shí)對供配電系統的沖擊。配料除塵風(fēng)機高壓變頻器投入運行后，正常生產(chǎn)情況下，變頻運行狀態(tài)40Hz左右即可滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，

變頻狀態(tài)運行數據，如表4所示。

工頻時(shí)運行數據，如表5所示。

節電率=（389.85kW-255.17kW）/389.85kW=34.54%

配料除塵風(fēng)機每天24h運行，一年運行330天，變頻改造后，一年節省電量計算如下：（389.85kW-255.17kW）×24h×330d=106.67萬(wàn)kW?h按0.5元/kW?h計算，每年節省電費為：106.67萬(wàn)kW?h×0.5元/kW?h=53.33萬(wàn)元。

7.2 其他收益

除此之外，在燒結配料除塵風(fēng)機系統中應用變頻調速裝置后，延長(cháng)了電機和設備的使用壽命。燒結的配料除塵風(fēng)機均為大容量的離心式風(fēng)機，啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)，啟動(dòng)電流大，對電機和風(fēng)機機械沖擊大，嚴重影響其使用壽命。而采用變頻調速裝置后，可以實(shí)現軟啟動(dòng)和軟停止，減少了檢修維護開(kāi)支，節約了大量維護費用。

8結束語(yǔ)

目前，國內冶金行業(yè)普遍存在的問(wèn)題是電耗、煤耗、水耗均同國際先進(jìn)水平還有一定差距，隨著(zhù)競爭的加劇，企業(yè)內部通過(guò)技術(shù)改造節能降耗是節能降耗工作的重點(diǎn)，作為鋼鐵生產(chǎn)主要耗能大戶(hù)之一的燒結配料除塵風(fēng)機的節能是各鋼鐵廠(chǎng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。而高壓變頻器正好能夠滿(mǎn)足企業(yè)技改的迫切需求，是節能項目中大力推廣的產(chǎn)品。隨著(zhù)高壓變頻器的性?xún)r(jià)比越來(lái)越高，為燒結配料除塵風(fēng)機變頻調速節能改造提供了更廣闊的前景。