姚廣榮

(吉林吉恩鎳業(yè)股份有限公司, 吉林 磐石 132311)

電力節(jié)能

高壓變頻調(diào)速技術(shù)在SO2風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

姚廣榮

(吉林吉恩鎳業(yè)股份有限公司, 吉林 磐石 132311)

分析了某硫酸廠SO2風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況及能耗狀況，介紹了高壓變頻器在風(fēng)機(jī)應(yīng)用中的節(jié)電效果，說明了在SO2風(fēng)機(jī)頻率確定中需要考慮的問題如系統(tǒng)的潤滑、散熱要求、傳動效率和喘振現(xiàn)象。風(fēng)機(jī)經(jīng)高壓變頻改造后節(jié)能及運(yùn)行效果顯著。

風(fēng)機(jī)； 運(yùn)行工況； 高壓變頻； 節(jié)能改造

0 前言

在工業(yè)企業(yè)中需要大量使用風(fēng)機(jī)，其中大部分風(fēng)機(jī)需要根據(jù)不同的工藝情況調(diào)節(jié)風(fēng)的流量和壓力，以往的壓力和流量的調(diào)節(jié)主要是通過調(diào)節(jié)管道上的閥門開度來實(shí)現(xiàn)的，由于要克服閥門的阻力等造成了大量的能源浪費(fèi)。即使是不需要調(diào)整流量或壓力的風(fēng)機(jī)，由于與之配套的電動機(jī)的功率都比實(shí)際需要的大，所以電動機(jī)也不是在額定功率下運(yùn)行，存在電能浪費(fèi)現(xiàn)象。

1 硫酸廠SO2風(fēng)機(jī)工況及能耗狀況

硫酸廠轉(zhuǎn)化SO2風(fēng)機(jī)是硫酸生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，它負(fù)責(zé)將冶煉生產(chǎn)中產(chǎn)生的SO2煙氣在經(jīng)過高效洗滌塔和干燥塔除去雜質(zhì)和水分后送入轉(zhuǎn)化器；同時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化器傳化率以及干吸塔吸收率。并通過控制使煙氣吸收達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，防止煙氣外泄，污染環(huán)境。

硫酸廠SO2高壓風(fēng)機(jī)額定運(yùn)行流量為75 000 m3/h，轉(zhuǎn)速6 305 r/min。驅(qū)動電機(jī)為高壓三相異步四級電機(jī)，額定功率1 800 kW，額定電壓：6.3 kV，額定電流196.3 A，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min，起動方式為直起。風(fēng)機(jī)潤滑為強(qiáng)迫潤滑，油壓：0.01～0.08 bar，配有輔助油泵用于啟動潤滑。風(fēng)機(jī)配有在線振動監(jiān)測。風(fēng)機(jī)散熱主要依靠自身轉(zhuǎn)子尾部帶的風(fēng)葉給自身降溫。電機(jī)配有DCS控制系統(tǒng)。其中風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制由閥門的開啟大小來調(diào)節(jié)。

2010年SO2高壓轉(zhuǎn)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行時平均運(yùn)行流量為52 500 m3/h左右，導(dǎo)葉片開度25%左右；當(dāng)煙氣流量變動時，由人工調(diào)整導(dǎo)葉片開度，以達(dá)到相關(guān)要求。由于閥門體積較大，且離地面2.5 m，所以現(xiàn)場工人勞動強(qiáng)度大，且響應(yīng)速度慢，時常造成煙氣外泄，污染環(huán)境，被當(dāng)?shù)鼐用裢对V。

電機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，平均運(yùn)行電流為93～110 A；電壓為6 180～6 370 V；功率因數(shù)為0.86左右；平均功率1 014 kW左右。年耗電量為800多萬千瓦時，占硫酸廠2010年全年耗電量的50%以上。

2011年能源審記時現(xiàn)場測試，風(fēng)機(jī)的能源利用效率只有43%左右，屬非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài),被要求限期整改。

2 高壓變頻器工作原理

風(fēng)機(jī)類負(fù)載設(shè)備的工作特性曲線如圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)類負(fù)載設(shè)備的工作特性曲線

曲線①、②分別為負(fù)載按轉(zhuǎn)速N1、N2工作時的特性曲線，③、④為管網(wǎng)的阻力曲線。

在第一種負(fù)載工況下，用擋板將流量從Q1調(diào)節(jié)為Q2時，壓力將由H1上升到H3，負(fù)載工作點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。管網(wǎng)阻力曲線由③變?yōu)棰堋Ｘ?fù)載功率由

PA=H1×Q

(1)

變?yōu)?/p>

PB=H3×Q2

(2)

PB比PA實(shí)際減小有限。同時由于壓力由H1升高到H2，對管網(wǎng)和閥門的密封性能形成威脅和破壞。

如果不采用擋板調(diào)節(jié)，改用調(diào)節(jié)負(fù)載速度來減小流量，負(fù)載按速度N2運(yùn)行，工作特性曲線為②，管網(wǎng)阻力曲線不變?nèi)詾棰?，?dāng)流量仍為Q2時，負(fù)載工作在C點(diǎn)，但壓力為H2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于H3，負(fù)載功率為

PC=H2×Q2

(3)

相比B、C兩點(diǎn)，負(fù)載減少的軸功率為：

ΔP=PB-PC=(H3-H2)×Q2

(4)

在風(fēng)道阻力特性不變的情況下，離心式風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q、壓力H、軸功率P和轉(zhuǎn)速N之間滿足如下關(guān)系：

PA/PC=(N1/N2)3

(5)

通過以上分析可以看出，在不考慮傳動效率的情況下，可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，風(fēng)機(jī)的軸功率將以三次方的幅度下降，見表1。

表1 速度降低后的理論節(jié)能表 單位：%

根據(jù)風(fēng)量調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可按下式確定：

N=60F(1-S)/P

(6)

式中：N——電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速；

F——輸入的電源頻率；

S——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率；

P——電機(jī)的極對數(shù)。

對于電機(jī)而言，P是不變的，S一般比較小(0～0.05)。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速約與電機(jī)的頻率成正比。因此可能通過調(diào)節(jié)電機(jī)的供電頻率F，就可改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)的滑差s和負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越大則滑差增加，所以電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速還會隨負(fù)載的增加而略有下降。

高壓變頻器是一種串聯(lián)疊加性高壓變頻器，即采用多臺單相三電平逆變器串聯(lián)連接，輸出可變頻變壓的高壓交流電。

變頻器本身由變壓器柜、功率柜、控制柜三部分組成。三相高壓電經(jīng)高壓開關(guān)柜進(jìn)入，經(jīng)輸入降壓、移相給功率單元柜內(nèi)的功率單元供電，功率單元分為三組，一組為一相，每相的功率單元的輸出首尾相串。主控制柜中的控制單元通過光纖對功率柜中的每一功率單元進(jìn)行整流、逆變控制與檢測，這樣根據(jù)實(shí)際需要通過操作界面進(jìn)行頻率的給定，控制單元把控制信息發(fā)送到功率單元進(jìn)行相應(yīng)的整流、逆變調(diào)整，輸出滿足負(fù)荷需求的電壓等級。

通過以上分析知，當(dāng)系統(tǒng)采用高壓變頻時，直接通過操作界面進(jìn)行頻率給定來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以滿足不同工況的需求。此時電機(jī)消耗的能量將以轉(zhuǎn)速立方的關(guān)系下降，智能節(jié)電的效果非常顯著。

3 硫酸廠SO2風(fēng)機(jī)頻率確定

硫酸廠SO2風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量為52 500 m3/min,額定負(fù)荷為75 000 m3/min，實(shí)際負(fù)荷只占到額定負(fù)荷的70%(52 500/75 000×100%)，因此理論上可將電機(jī)頻率降到35 Hz，節(jié)能率達(dá)到66%。

實(shí)際確定電機(jī)頻率要充分考慮系統(tǒng)實(shí)際工況，不能只考慮節(jié)約能源，否則不但不能達(dá)到節(jié)能的目的，甚至可能造成重大設(shè)備事故，影響正常生產(chǎn)的進(jìn)行。

所以SO2風(fēng)機(jī)頻率的確定還要考慮以下幾個方面的問題。

3.1 系統(tǒng)的潤滑

風(fēng)機(jī)的傳動方式為軸承軸瓦傳動。系統(tǒng)正常循環(huán)時油壓為1.2～1.5 bar，油溫為42.5 ℃，主機(jī)開機(jī)前輔助油泵開啟，待到上位油箱達(dá)到一定油量時，輔助油泵停止工作，主電機(jī)啟動，依靠主電機(jī)自身的軸轉(zhuǎn)速來上油。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，油壓也會下降；但油壓降低到一定程度后，主電機(jī)會停機(jī)，防止軸瓦過熱時燒毀。經(jīng)過試驗(yàn)，當(dāng)電機(jī)頻率降到40 Hz時，潤滑油壓下降約20%,達(dá)到1.2 bar，此頻率下，油壓基本滿足工況需求。

3.2 系統(tǒng)散熱的要求

本系統(tǒng)的散熱是依靠電機(jī)轉(zhuǎn)子尾部帶的風(fēng)葉給自身降溫，當(dāng)電機(jī)頻率下降時，風(fēng)葉轉(zhuǎn)速也下降，自冷風(fēng)量降低，導(dǎo)致電機(jī)溫升。經(jīng)測定，當(dāng)主電機(jī)頻率設(shè)定在40 Hz時，基本可以保證主電機(jī)溫升不超過主電機(jī)保護(hù)溫度。

3.3 喘振現(xiàn)象的發(fā)生

當(dāng)風(fēng)機(jī)長期在低速運(yùn)轉(zhuǎn)且處于某個特定頻率時，有可能發(fā)生喘振現(xiàn)象，電機(jī)頻率的設(shè)定要避開這個低頻區(qū)域。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)電機(jī)處于44～45 Hz時，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

3.4 系統(tǒng)的傳動效率

本系統(tǒng)傳動方式為：

變頻器→主電機(jī)→聯(lián)軸器→增速機(jī)→風(fēng)機(jī)，因此要考慮傳動效率。

綜合以上因素，將電機(jī)頻率設(shè)定在45 Hz。

4 SO2風(fēng)機(jī)節(jié)電分析

硫酸廠高壓風(fēng)機(jī)變頻改造投入運(yùn)行后，電機(jī)頻率設(shè)定在45 Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低了10%，電流下降了26%，年節(jié)電2 168 338 kW·h，按公司平均電價0.6元/kW·h計算，年可節(jié)約費(fèi)用130多萬元。投資估算300萬元，2.3年可收回投資。

5 結(jié)束語

高壓風(fēng)機(jī)改造后，在運(yùn)行時，將原導(dǎo)葉片開到100%，這樣不需要克服檔板的阻力，降低了風(fēng)機(jī)的能源消耗，同時由于不用導(dǎo)葉片調(diào)整流量，使導(dǎo)葉片使用壽命大大延長，使檢修維護(hù)工作量減少，降低了檢修工作強(qiáng)度、費(fèi)用和操作工人的勞動強(qiáng)度。

[1] 曾允文. 高壓變頻器及其應(yīng)用[M]. 北京：工業(yè)機(jī)械出版社,2010.

[2] 陳曉春. 應(yīng)用高壓變頻技術(shù)改造煙氣凈化系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的應(yīng)用[J]. 有色冶金節(jié)能,2009.

[3] 梁玲. 通用變頻器在風(fēng)機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用[J]. 有色冶金節(jié)能,2008.

Application of High Voltage Variable Frequency Speed Regulation Technique in SO2Fan

YAO Guang-rong

This paper analyzes the SO2fan’s operating condition and energy situation in a sulfuric acid plant; introduces energy-saving effect of high voltage converter in the fan application; and illustrates some problems need to be considered when determining the SO2fan frequency, such as lubrication, heat dissipation requirement, transmission efficiency and surging phenomenon. The energy saving and operating effect of the fan is remarkable since high voltage variable frequency transformation.

fan; operating condition; high voltage variable frequency; energy saving transformation

2014-03-10

姚廣榮(1965—),女，吉林人，大專，工程師，主要從事電氣技術(shù)節(jié)能改造工作。

TM921.51

B

1008-5122(2014)04-0038-03