摘要：本文介紹了風(fēng)光高壓變頻器在包鋼集團(tuán)固陽礦山公司球團(tuán)廠磨煤引風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用情況。現(xiàn)場運行情況表明，采用高壓變頻器對球團(tuán)廠磨煤引風(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：高壓變頻器球團(tuán)磨煤引風(fēng)機(jī)節(jié)能

1引言

包鋼集團(tuán)固陽礦山公司是包頭鋼鐵集團(tuán)的一個全資子公司。一期球團(tuán)生產(chǎn)線建設(shè)1條240萬t/a鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線及配套設(shè)施。公司注意挖掘自身潛力，強(qiáng)化節(jié)能意識，并付諸于實施，于2013年11月就對球團(tuán)廠磨煤引風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。改造現(xiàn)場設(shè)備銘牌如表1所示。

2球團(tuán)廠磨煤引風(fēng)機(jī)現(xiàn)場情況介紹

球團(tuán)生產(chǎn)主要有以下三個步驟：

首先，將細(xì)磨精礦粉、熔劑、燃料和黏結(jié)劑（皂土等）原料進(jìn)行配料、混合；其次，在造球機(jī)上加適當(dāng)?shù)乃瑵L成10～15mm的生球；再次，

生球在高溫焙燒機(jī)上進(jìn)行高溫焙燒，焙燒好的球團(tuán)礦經(jīng)過冷卻、破碎、篩分，得到成品球團(tuán)礦。其中磨煤機(jī)工藝流程是：

球團(tuán)廠煤粉制備中，煙煤通過膠帶機(jī)由儲煤場運至煙煤煤粉制備室粒煤礦倉內(nèi)，倉下設(shè)密封式膠帶定量給煤機(jī)將煤定量給入輥盤式磨煤機(jī)中。磨煤機(jī)電動機(jī)通過減速機(jī)轉(zhuǎn)動磨盤，物料從下料口落到磨盤中央，在離心力的作用下向磨盤邊緣移動并受到磨輥的碾壓，并由沸騰爐供給低氧熱風(fēng)，熱風(fēng)將煤干燥同時進(jìn)行風(fēng)選，將粒度合格的煤粉由磨煤引風(fēng)機(jī)吹送到煤粉布袋收集器，而后再由煤粉布袋收集器灰斗下口排放至煤粉倉，不合格的煤粉留在磨中繼續(xù)研磨。煤粉倉下設(shè)煤粉計量及噴吹系統(tǒng)，把煤粉利用羅茨風(fēng)機(jī)送至回轉(zhuǎn)窯煤粉燒嘴處燃燒。磨煤引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（煤粉布袋收集器所需風(fēng)量）主要由磨煤機(jī)內(nèi)工藝情況（產(chǎn)量及粉的細(xì)度）決定。

包鋼集團(tuán)固陽礦山公司球團(tuán)廠磨煤引風(fēng)機(jī)為佳木斯電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的高壓隔爆異步電機(jī)（YB2-4506-4，10kV，400kW)拖動，原有的運行方式為電機(jī)全速運行，這樣的運行方式存在如下弊端：

（1）風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)反應(yīng)滯后，調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)精度不高。

依靠風(fēng)門調(diào)節(jié)執(zhí)行器來調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，受機(jī)械部分限制調(diào)節(jié)速度有限，調(diào)節(jié)精度亦受影響，往往對現(xiàn)場的風(fēng)量控制不是很到位，造成調(diào)節(jié)的誤差增加。

（2）風(fēng)門調(diào)節(jié)浪費電能，不科學(xué)，不經(jīng)濟(jì)。

電機(jī)額定電流為28.5A，而電機(jī)實際運行電流平均為19A左右，閥門開啟僅為15%左右，采用風(fēng)門調(diào)節(jié)，人為改變了風(fēng)道的阻力曲線，大量的能源白白浪費在風(fēng)門上。

（3）因電機(jī)全速運行，電機(jī)軸瓦和風(fēng)機(jī)等機(jī)械部分磨損較快，電機(jī)和風(fēng)機(jī)維護(hù)周期短，維護(hù)費用高。

3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)簡介

3.1變頻原理及高壓變頻特點

異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(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，是異步電動機(jī)最為合理的調(diào)速方法。目前，變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。

高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：

(1)高效節(jié)能：含變壓器在內(nèi)的整機(jī)效率在96％以上，可減少由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)方式導(dǎo)致的節(jié)流損失。

(2)提高功率因數(shù)：目前單元級聯(lián)式的高壓變頻器，其輸入電流諧波含量小于國家標(biāo)準(zhǔn)的限制要求，功率因數(shù)可保證在0.97以上，輸入功率因數(shù)大大提高，無需投資功率補(bǔ)償設(shè)備，并可降低有關(guān)的設(shè)備投資與維護(hù)費用。

(3)軟啟、軟停：減少對電網(wǎng)和負(fù)載的沖擊，延長電機(jī)等設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速后，可以實現(xiàn)軟起動和軟停止，幾乎不產(chǎn)生沖擊，正常運行時又大多低于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，可大大延長電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子軸及軸承等電氣與機(jī)械壽命。

（4）節(jié)能效果明顯。

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

風(fÄ“ng)æ©Ÿ(jÄ«)特性如圖1所示。風(fÄ“ng)æ©Ÿ(jÄ«)工作在A點時，其功率為PA=H1×Q1／102；風(fÄ“ng)æ©Ÿ(jÄ«)工作在B點時，其功率為PB=H2×Q2／102。因Q2H1，故PA與為PB的值變化較大，說明采用變工頻工作方式時，改變風(fÄ“ng)æ©Ÿ(jÄ«)的風(fÄ“ng)量，風(fÄ“ng)æ©Ÿ(jÄ«)的軸功率減小很大，節(jié)能效果顯著。

圖1風(fēng)機(jī)特性曲線圖

當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。可見，通過變頻對風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，可以實現(xiàn)節(jié)能，且節(jié)能空間可觀。

3.2風(fēng)光牌JD-BP38-400F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

這次改造公司選用了山東新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-400F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，是新風(fēng)光公司研發(fā)的第六代產(chǎn)品，具有領(lǐng)先于同行的高功率密度，控制性能高，完善的保護(hù)機(jī)制，產(chǎn)品投入市場后，大大提升了產(chǎn)品性能，受到了用戶的廣泛好評。該產(chǎn)品采用直接"高-高"變換方式，屬電壓源型，可直接10kV輸入，直接10kV輸出，電流諧波小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。

風(fēng)光高壓變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，單元電路模塊化設(shè)計，維護(hù)簡單，互換性好，高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強(qiáng)弱電隔離，安全可靠，該10kV高壓變頻器，變壓器有24組付邊繞組，分為8個功率單元∕相，三相共24個單元，采用48脈沖整流，輸入端的諧波成分遠(yuǎn)低于國標(biāo)規(guī)定，高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，單元電路的主電路如圖3所示。

圖2高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3單元電路主電路

具體來說，風(fēng)光第六代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：

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準(zhǔn)。

(2)矢量控制技術(shù)，通過測量和控制交流電動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對交流電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制交流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)。

(3)快速飛車啟動功能。能夠識別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。在變頻器受到負(fù)載沖擊保護(hù)后可對其自動復(fù)位，然后再自動啟動，即可避免重要場合（如水泥廠高溫風(fēng)機(jī)）變頻保護(hù)停機(jī)造成的損失。快速飛車啟動技術(shù)可實現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護(hù)狀態(tài)復(fù)位重新帶載運行。

(4)工頻/變頻無擾切換技術(shù)。現(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)生故障時能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運行的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運行造成任何影響。

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

(6)線電壓自動均衡技術(shù)（星點漂移技術(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，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(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)輕載或者空載的時候會出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時電流幅值波動很大，電流的振蕩有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)因為過流或過壓而觸發(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，多臺變頻器之間可通過數(shù)據(jù)總線組成主從控制網(wǎng)絡(luò)。將其中的一臺設(shè)為主機(jī)，其他設(shè)為從機(jī)，主機(jī)實時采集各從機(jī)的狀態(tài)信息，同時發(fā)送給各從機(jī)頻率、轉(zhuǎn)矩指令，實現(xiàn)各臺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合。

(9)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能。避免電網(wǎng)波動對輸出電壓的影響。

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

（11）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(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，并可使保證運行維護(hù)人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。

（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，此時如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時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設(shè)定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(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)場給定、通訊給定等支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能。

3.3磨煤引風(fēng)機(jī)控制方案

（1）主回路方案

高壓變頻器為“一拖一”，配置手動旁路柜。變頻器高壓進(jìn)線端直接接于10kV電壓等級的主動力電源，輸出側(cè)直接連接電機(jÄ«)。DL用戶現(xiàn)場高壓斷路器，為了實現(xiàn)對變頻器故障保護(hù)，變頻器與DL的合、分閘回路實現(xiàn)連鎖，只有變頻器控制系統(tÇ’ng)正常才允許DL合閘，而變頻器重故障則跳開DL。手動旁路柜如圖4所示。

圖4手動旁路柜

（2）控制回路方案

按照用戶要求，變頻器可以根據(jù)用戶反饋的風(fÄ“ng)壓信號來調(diào)節(jié)風(fÄ“ng)æ©Ÿ(jÄ«)的風(fÄ“ng)壓，也可以與用戶的風(fÄ“ng)門進(jìn)行開、合聯(lián)動。變頻器控制柜有“本機(jÄ«)控制/遠(yuÇŽn)程控制”選擇開關(guān)，可以方便地選擇本地操作或遠(yuÇŽn)程操作，變頻器支持MODBUS、PROFIBUS等協(xié)議及硬接線連接來實現(xiàn)遠(yuÇŽn)程操作，本套系統(tÇ’ng)與用戶中控室DCS采用硬接線連接。即DCS給變頻器發(fā)啟動、停止指令及一路頻率給定信號，變頻器反饋給DCS“就緒”、“運行”、“報警”、“æ•…éšœ”四路開關(guān)量信號及“電機(jÄ«)轉(zhuÇŽn)速”、“電機(jÄ«)電流”兩路模擬量信號。

本高壓變頻器采用風(fēng)冷裝置，只對變頻器的出風(fēng)處加裝通風(fēng)管道，將熱風(fēng)直接排出室外，降低柜體內(nèi)的微環(huán)境溫度，確保功率器件的管芯溫度在允許值以下。未對變頻器房間設(shè)置空調(diào)設(shè)備，只增加房間換氣軸流風(fēng)機(jī)一臺。

4改造效果

（1）節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

固陽礦球團(tuán)廠磨煤引風(fēng)機(jī)變頻改造后，取得了顯著的節(jié)能效果，改造前風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開啟經(jīng)常在15%左右，電機(jī)全速運行；變頻改造后，風(fēng)機(jī)變速運行，風(fēng)門全開。因現(xiàn)場工況變化不是很大，變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常運行在32Hz左右，與調(diào)節(jié)檔板時的消耗功率大大減少，節(jié)電效果與經(jīng)濟(jì)效益顯著，變頻改造前后，磨煤引風(fēng)機(jī)的運行數(shù)據(jù)如表2所示。

改造后，磨煤引風(fēng)機(jī)的節(jié)能率為：（263.3-127.3）/263.3=51.6%，該引風(fēng)機(jī)年運行時間按300天，每天運行24小時。每度電按0.5元計算，年節(jié)省電費：

（263.3-127.3）kW×24h×300d×0.5å…ƒ/kW•h=489600元。

（2）磨煤引風(fēng)機(jī)變頻改造后，取得的間接效果也十分明顯。

由于變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常運行在32Hz（生產(chǎn)時），電機(jī)及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)及風(fēng)機(jī)的磨損降低，噪音和振動降低，整體維護(hù)周期大大延長。由于電機(jī)變頻改造后轉(zhuǎn)速降低，輸出功率大大降低，電機(jī)的溫升也沒有升高。

5結(jié)束語

目前很多球團(tuán)廠的風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式基本通過擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟(jì)效益差，設(shè)備損壞嚴(yán)重，急需采用先進(jìn)的高壓變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造，以降低球團(tuán)廠的電耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。實踐證明，冶金行業(yè)風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，是必要、可行的，且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡介

馬健凱，高級工程師，供職于包鋼集團(tuán)固陽礦山公司機(jī)動部。

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。