羅飛

（深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司 丹霞冶煉廠，廣東仁化 512300）

丹霞冶煉廠成立于2007年，是國(guó)內(nèi)首家采用鋅氧壓浸出技術(shù)進(jìn)行金屬回收的企業(yè)。該企業(yè)氧壓浸出工藝采用兩段氧壓釜，在一定的溫度、壓力下，通入氧氣，對(duì)硫化鋅精礦進(jìn)行酸浸。經(jīng)過(guò)酸浸，硫化鋅中的鋅轉(zhuǎn)化為硫酸鋅溶液，通過(guò)下游工段凈化、電積等工藝產(chǎn)出電鋅。在整個(gè)工藝控制過(guò)程中，為保證溶液中鋅的浸出率，要求制氧工藝安全、穩(wěn)定，所得的氧氣純度在90%以上。同時(shí)，為踐行節(jié)約能源、清潔生產(chǎn)、綠色發(fā)展的理念，整個(gè)制氧環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化控制，為同行業(yè)制氧生產(chǎn)實(shí)踐提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 真空變壓吸附制氧系統(tǒng)工作原理

1.1 變壓吸附制氧原理

真空變壓吸附制氧（VPSA-O2）經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)輸送低壓（25～65 kPa）的原料空氣，凈化除去粉塵后進(jìn)入VPSA-O2系統(tǒng)吸附塔。吸附塔為兩塔體系，吸附后的主要?dú)怏w為氧氣，空氣中的氮?dú)?、二氧化碳、水蒸氣等也隨之被吸附。當(dāng)其達(dá)到設(shè)定控制值后，由于吸附壓力較低，先通過(guò)常壓吸附，再經(jīng)過(guò)真空泵抽真空后達(dá)到一定真空度，使吸附塔內(nèi)吸附劑雜質(zhì)徹底托付再生，由兩塔組成的吸附分離制氧系統(tǒng)，在DCS數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的控制下，形成穩(wěn)定制氧工藝。鼓風(fēng)機(jī)要求在壓力變化時(shí)保持流量穩(wěn)定，以減小對(duì)吸附床的沖擊，同時(shí)變化范圍小，有利于分子篩吸附。

1.2 工藝流程簡(jiǎn)介

VPSA真空變壓吸附制氧系統(tǒng)是由鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、氧氣罐、電氣控制系統(tǒng)、氧氣增壓系統(tǒng)等組成?？諝饨?jīng)過(guò)濾器去除空氣中的機(jī)械雜質(zhì)，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)壓縮后，從吸附器下部進(jìn)料口進(jìn)入其中的一個(gè)吸附器?？諝庵械牡?dú)?、二氧化碳等成分在吸附器?nèi)被吸附，氧氣則通過(guò)吸附床層匯集到吸附塔頂部作為產(chǎn)品氣輸出。與此同時(shí)，另一個(gè)吸附塔處于再生工況。當(dāng)一個(gè)吸附塔達(dá)到吸附飽和時(shí)，控制系統(tǒng)將空氣轉(zhuǎn)入已完成再生的吸附塔中開(kāi)始吸附產(chǎn)氧。兩只吸附塔如此交替輪流實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)氧氣。變壓吸附制氧的工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 變壓吸附制氧的工藝流程

2 設(shè)備運(yùn)行概況及能耗分析

2.1 主要設(shè)備運(yùn)行概況

某冶煉廠制氧系統(tǒng)原鼓風(fēng)機(jī)采用單級(jí)離心式鼓風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)屬于恒壓風(fēng)機(jī)，其輸出的流量隨壓力的變化而不斷變化。雖然該設(shè)備可以調(diào)節(jié)流量，但是調(diào)節(jié)后的流量往往偏離設(shè)計(jì)的最佳工作點(diǎn)，工作效率降低；同時(shí)，該設(shè)備還存在啟停復(fù)雜、操作適應(yīng)性差等問(wèn)題。

所采用真空泵為水環(huán)式，是靠泵腔容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的，屬于變?nèi)菔秸婵毡?。雖然該設(shè)備吸氣均勻，運(yùn)行工況相對(duì)平穩(wěn)，但使用效率較低。設(shè)計(jì)初期，設(shè)備裝配都為一用一備，不僅運(yùn)行成本高，所占的建筑面積大，能耗居高不下。

2.2 能耗分析

自2015年該項(xiàng)目建成投產(chǎn)以來(lái)，氧氣產(chǎn)品單位能耗與同行業(yè)數(shù)據(jù)相比一直居高不下，其中電耗占整個(gè)氧氣產(chǎn)品能源消耗的90%以上。研究分析表明，能耗過(guò)高的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1）鼓風(fēng)機(jī)及真空泵運(yùn)行效率低，從星三角降壓?jiǎn)?dòng)到工頻電壓運(yùn)行，所需啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、電流大，啟動(dòng)電流是額定電流的5～7倍。啟動(dòng)時(shí)的大電流不僅浪費(fèi)電力，還會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)造成不利影響，增加了線損和變損。

2）鼓風(fēng)機(jī)排氣壓力通過(guò)出口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式僅僅是改變了管網(wǎng)阻力，并沒(méi)有改變電機(jī)的輸出功率，是以人為地增加阻力的辦法達(dá)到調(diào)節(jié)壓力大小的目的，極大地浪費(fèi)電能。

3）水環(huán)真空泵流量也采用出口閥調(diào)節(jié)。通過(guò)在真空泵排出管路上安裝調(diào)節(jié)閥，靠改變閥的開(kāi)關(guān)度來(lái)調(diào)節(jié)流量大小。當(dāng)流量調(diào)節(jié)為較小時(shí)，會(huì)對(duì)管網(wǎng)造成憋壓，增加電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷。

2.3 優(yōu)化思路

針對(duì)上述問(wèn)題，在參考同行業(yè)前提下，該廠決定采用“一拖二”的羅茨設(shè)備機(jī)組，即1臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)1臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)和1臺(tái)羅茨真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)裝配高壓變頻器進(jìn)行節(jié)能矢量控制。該優(yōu)化思路旨在減輕因鼓風(fēng)機(jī)排氣壓力頻繁波動(dòng)對(duì)吸附劑的吸附性能和使用壽命產(chǎn)生的不良影響，使氣體流量保持基本恒定，保證制氧裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。“一拖二”羅茨設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 “一拖二”羅茨設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

3 羅茨風(fēng)機(jī)節(jié)能改造要求及方案

3.1 技術(shù)要求

羅茨風(fēng)機(jī)是制氧系統(tǒng)的核心設(shè)備，一旦設(shè)備不能正常運(yùn)行，不僅影響制氧系統(tǒng)的生產(chǎn)，還將影響整個(gè)鋅冶煉流程。因此，針對(duì)原制氧設(shè)備的弊端，同時(shí)考慮到配套高壓調(diào)速系統(tǒng)必須具備極高的可靠性，對(duì)電機(jī)的節(jié)能改造提出如下技術(shù)要求：1）變頻器具有高可靠性、穩(wěn)定性；2）變頻器設(shè)有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機(jī)切換到工頻運(yùn)行（圖2）；3）調(diào)節(jié)精度高、啟動(dòng)線性平穩(wěn)，不影響供電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定；4）具有共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電機(jī)避開(kāi)共振點(diǎn)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)喘震；5）建立風(fēng)機(jī)后臺(tái)數(shù)據(jù)的采集及分析系統(tǒng)，可通過(guò)DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程操作、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視、故障報(bào)警及聯(lián)鎖停機(jī)等功能，從而提前預(yù)判設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 工頻/變頻旁路切換一次回路

經(jīng)過(guò)多方調(diào)研、反復(fù)比較，最終采用ABB電氣傳動(dòng)公司生產(chǎn)的最新ACS580MV高壓變頻器，較好地按照既定思路完成制酸風(fēng)機(jī)的升級(jí)改造。

3.2 ABB ACS580MV高壓變頻器設(shè)備特點(diǎn)

1）該高壓變頻器采用交—直—交直接接高壓方式（高—高），主電路開(kāi)關(guān)元件為IGBT板；采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓方式，具有較高可靠性。

2）該高壓變頻器由每相9個(gè)功率單元，三相共計(jì)27個(gè)獨(dú)立低壓功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，同時(shí)每相功率單元可實(shí)現(xiàn)相互旁路短接。三相整體輸出Y型接法，中性點(diǎn)懸浮,且輸入不采用諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)較高，輸出波形為質(zhì)量較高的正弦波。

3）該高壓變頻器能最大限度地抑制輸入側(cè)諧波含量。同一相的副邊繞組通過(guò)延邊三角形接法移相，由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流。變頻器輸入電流的總諧波含量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。

4）該高壓變頻器具有失電跨越功能。在±10%的額定電壓波動(dòng)范圍內(nèi)能滿載輸出；在75%～90%的額定電壓范圍內(nèi)降額繼續(xù)運(yùn)行；在低于75%的輸入電壓狀態(tài)下將進(jìn)入失電跨越模式；當(dāng)供電恢復(fù)，可轉(zhuǎn)換至正常狀態(tài)。

3.3 改造方案

3.3.1 主電源方案

由圖2可知，QF1為用戶真空斷路器，QS1、QS2、QS3為3臺(tái)高壓隔離開(kāi)關(guān)。QS1與QS2之間為高壓變頻器，QS3為旁路隔離開(kāi)關(guān)。當(dāng)電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)先將QS3分?jǐn)?，后合QS1和QS2的開(kāi)關(guān)，最后再合真空斷路器QF1，變頻器得電運(yùn)行。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)切換工頻運(yùn)行，將QS1和QS2的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，QS3合入，最后合真空斷路器QF1直接工頻運(yùn)行。

工頻直啟方式為變頻器故障情況下應(yīng)急開(kāi)啟方式，非必要禁止工頻直啟。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)對(duì)故障變頻器的保護(hù)，變頻器故障狀態(tài)下發(fā)出跳閘指令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的高壓真空斷路器QF1進(jìn)行連鎖跳閘，以使變頻器斷開(kāi)電源。同時(shí)QS1、QS2、QS3刀閘都與斷路器QF1電氣互鎖，只有在斷路器QF1分?jǐn)鄷r(shí)才能操作刀閘，以防止帶電誤操作。

3.3.2 控制方案

變頻器采用3種控制方案，分別是遠(yuǎn)程DCS閉環(huán)自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程DCS開(kāi)環(huán)手動(dòng)控制和就地手動(dòng)控制。遠(yuǎn)程DCS閉環(huán)自動(dòng)控制方式為利用變頻器內(nèi)置PID控制功能，將外部實(shí)時(shí)變化信號(hào)通過(guò)變頻器端子輸入，通過(guò)變頻器內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算以改變輸出頻率。當(dāng)風(fēng)機(jī)出口壓力范圍變化時(shí)，傳感器檢測(cè)的信號(hào)以模擬量（4～20 mA）反饋至變頻器的控制端，實(shí)現(xiàn)變頻器的閉環(huán)自動(dòng)控制。遠(yuǎn)程DCS開(kāi)環(huán)手動(dòng)控制和就地手動(dòng)控制為普通給定控制方式，通過(guò)后臺(tái)控制器及變頻器本體面板控制，此控制方式為備用。

3.3.3 冷卻方案

由于高壓變頻器采用（高—高）方式，功率單元采用串聯(lián)形式，因此變頻器在正常運(yùn)行時(shí)，有約4%的功率損耗會(huì)以熱能的形式散失在空間內(nèi)。變頻器本體對(duì)室內(nèi)溫度的要求為25～40℃。按照室溫要求，高壓變頻器的冷卻方式設(shè)計(jì)為空調(diào)密閉冷卻+變頻本體獨(dú)立風(fēng)道，其中變頻本體風(fēng)道經(jīng)獨(dú)立風(fēng)道引至室外，能較好地保證室內(nèi)溫度。

4 節(jié)能分析及經(jīng)濟(jì)效益

4.1 節(jié)能效果分析

羅茨風(fēng)機(jī)—真空泵電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)改造前后的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1）羅茨鼓風(fēng)機(jī)—真空泵平均功率由2 500 kW下降到2 127.50 kW，下降率為14.90%，每月可節(jié)電268 200 kWh。高壓變頻器損耗及調(diào)速系統(tǒng)的總損耗相對(duì)星三角降壓—工頻啟動(dòng)的能耗低得多。

2）使用變頻調(diào)節(jié)后，由于變頻器SPWM矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真正意義的軟啟動(dòng)及軟停車，從根本上消除了工頻啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)及其設(shè)備的危害，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

3）減少消除對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的沖擊，避免產(chǎn)生操作過(guò)電壓而損傷電機(jī)絕緣，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。同時(shí)，變頻器設(shè)置共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風(fēng)機(jī)處于共振點(diǎn)運(yùn)行的可能性，使風(fēng)機(jī)工作平穩(wěn)，軸承磨損減少，啟動(dòng)平滑，消除了機(jī)械的沖擊力，提高了設(shè)備的使用壽命。另外，因?yàn)樽冾l器的保護(hù)功能，有效降低了設(shè)備維修成本。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

1）變頻調(diào)速系統(tǒng)改造后，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的平均功率由2 500 kW下降到2 127 kW，平均月節(jié)電量268 200 kWh，全年按11個(gè)月生產(chǎn)時(shí)間，電價(jià)按平均0.6元/kWh計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)約為177萬(wàn)元。

2）按氧氣產(chǎn)品單耗下降幅度計(jì)算效益，調(diào)速系統(tǒng)改造后每月單位產(chǎn)品能耗由原來(lái)的0.48 kWh/m3下降至0.33 kWh/m3，按平均5 600 m3/h產(chǎn)生氧氣，全年11個(gè)月生產(chǎn)時(shí)間計(jì)算，調(diào)速系統(tǒng)改造后的年效益約為399.16萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

從該廠近5年來(lái)的運(yùn)行情況及效益來(lái)看，羅茨風(fēng)機(jī)—真空泵采用變頻調(diào)速后，設(shè)備啟停過(guò)程平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)工作頻率在10～50 Hz，調(diào)速過(guò)程風(fēng)機(jī)機(jī)械設(shè)備的零部件、密封和軸承等的使用壽命大大延長(zhǎng)，檢修維護(hù)工作量減少，降低了檢修工作強(qiáng)度和費(fèi)用。同時(shí)，羅茨風(fēng)機(jī)—真空泵啟停過(guò)程平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊波動(dòng)，對(duì)工廠的節(jié)能改善效果明顯。