高壓變頻器在燒結(jié)機(jī)余熱風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
【摘要】：本文介紹了高壓變頻器在首鋼京唐公司1#燒結(jié)機(jī)余熱風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用案例，以及采用新型空-水冷卻系統(tǒng)解決高壓變頻器散熱問題的情況，通過對利德華福高壓變頻器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，說明其具有良好的節(jié)能效果。
【關(guān)鍵詞】：余熱風(fēng)機(jī) 高壓變頻器 空水冷卻
一、工程概況
鋼鐵企業(yè)以其資源密集、能耗密集、生產(chǎn)規(guī)模大、物流吞吐量大等特點(diǎn)著稱，首鋼京唐公司1#燒結(jié)機(jī)余熱風(fēng)機(jī)功率較大，達(dá)到3150kW，風(fēng)量調(diào)節(jié)如果采用入口擋板調(diào)節(jié)方式，僅僅是改變了通道的流通阻力，驅(qū)動源的輸出功率并沒有改變，節(jié)流損失相當(dāng)大，電能浪費(fèi)大。
變頻調(diào)速系統(tǒng)以其節(jié)能效益顯著，調(diào)速精度高、范圍寬，電力電子保護(hù)功能完善，及易于實(shí)現(xiàn)自動化控制等特點(diǎn)，得到了廣大用戶和市場的認(rèn)可。在運(yùn)行的安全可靠性、安裝使用便利性、維修維護(hù)簡易性等方面，也給使用者帶來了極大的好處，使之成為企業(yè)電機(jī)節(jié)能方式的首選。
為了節(jié)能降耗、提高風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)性能，首鋼京唐公司經(jīng)過招標(biāo)考察認(rèn)證，決定采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A10/230變頻調(diào)速系統(tǒng)在余熱風(fēng)機(jī)上實(shí)施應(yīng)用。
二、余熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行工藝及變頻系統(tǒng)方案
燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)時(shí)，熱燒結(jié)礦從燒結(jié)機(jī)尾部落下經(jīng)破碎后，通過振動篩分后經(jīng)溜槽落到環(huán)冷機(jī)傳送帶上。冷卻帶上的料礦溫度仍較高，所以在燒結(jié)環(huán)冷機(jī)上布置有數(shù)臺冷卻風(fēng)罩，風(fēng)罩內(nèi)通過風(fēng)機(jī)使料礦冷卻。吸熱后的熱煙氣被引出環(huán)冷機(jī)，再通過余熱風(fēng)機(jī)將熱量回收加以利用。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，提供最佳性價(jià)比方案”的原則，針對性提出一拖一手動工/變頻切換方案。正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過QS1、QS2隔離開關(guān)將變頻器接入電動機(jī)的一次動力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速控制；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可斷開QS1、QS2隔離開關(guān)，合上旁路開關(guān)QS3恢復(fù)電動機(jī)原有運(yùn)行方式保證生產(chǎn)的連續(xù)性。具體一次系統(tǒng)電氣原理圖如下所示。
【摘要】：本文介紹了高壓變頻器在首鋼京唐公司1#燒結(jié)機(jī)余熱風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用案例，以及采用新型空-水冷卻系統(tǒng)解決高壓變頻器散熱問題的情況，通過對利德華福高壓變頻器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，說明其具有良好的節(jié)能效果。
【關(guān)鍵詞】：余熱風(fēng)機(jī) 高壓變頻器 空水冷卻
一、工程概況
鋼鐵企業(yè)以其資源密集、能耗密集、生產(chǎn)規(guī)模大、物流吞吐量大等特點(diǎn)著稱，首鋼京唐公司1#燒結(jié)機(jī)余熱風(fēng)機(jī)功率較大，達(dá)到3150kW，風(fēng)量調(diào)節(jié)如果采用入口擋板調(diào)節(jié)方式，僅僅是改變了通道的流通阻力，驅(qū)動源的輸出功率并沒有改變，節(jié)流損失相當(dāng)大，電能浪費(fèi)大。
變頻調(diào)速系統(tǒng)以其節(jié)能效益顯著，調(diào)速精度高、范圍寬，電力電子保護(hù)功能完善，及易于實(shí)現(xiàn)自動化控制等特點(diǎn)，得到了廣大用戶和市場的認(rèn)可。在運(yùn)行的安全可靠性、安裝使用便利性、維修維護(hù)簡易性等方面，也給使用者帶來了極大的好處，使之成為企業(yè)電機(jī)節(jié)能方式的首選。
為了節(jié)能降耗、提高風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)性能，首鋼京唐公司經(jīng)過招標(biāo)考察認(rèn)證，決定采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A10/230變頻調(diào)速系統(tǒng)在余熱風(fēng)機(jī)上實(shí)施應(yīng)用。
二、余熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行工藝及變頻系統(tǒng)方案
燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)時(shí)，熱燒結(jié)礦從燒結(jié)機(jī)尾部落下經(jīng)破碎后，通過振動篩分后經(jīng)溜槽落到環(huán)冷機(jī)傳送帶上。冷卻帶上的料礦溫度仍較高，所以在燒結(jié)環(huán)冷機(jī)上布置有數(shù)臺冷卻風(fēng)罩，風(fēng)罩內(nèi)通過風(fēng)機(jī)使料礦冷卻。吸熱后的熱煙氣被引出環(huán)冷機(jī)，再通過余熱風(fēng)機(jī)將熱量回收加以利用。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，提供最佳性價(jià)比方案”的原則，針對性提出一拖一手動工/變頻切換方案。正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過QS1、QS2隔離開關(guān)將變頻器接入電動機(jī)的一次動力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速控制；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可斷開QS1、QS2隔離開關(guān)，合上旁路開關(guān)QS3恢復(fù)電動機(jī)原有運(yùn)行方式保證生產(chǎn)的連續(xù)性。具體一次系統(tǒng)電氣原理圖如下所示。
該高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，具有下列功能：
（1）電機(jī)拖動風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟起動（起動電流從零到額定值平滑過渡、無沖擊）和軟制動。
（2）可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速，系統(tǒng)調(diào)頻范圍0～50Hz。
（3）系統(tǒng)設(shè)有就地和遠(yuǎn)方兩種控制途徑，就地控制是在變頻器處通過變頻器觸摸屏進(jìn)行操作或應(yīng)急處理；遠(yuǎn)方控制是在控制室內(nèi)進(jìn)行，操作員通過DCS系統(tǒng)的CRT手動給定信號，調(diào)節(jié)變頻器，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。
（4）完備的保護(hù)功能：變頻器內(nèi)保護(hù)配置齊全，有運(yùn)行中開門、冷卻風(fēng)扇停運(yùn)、變頻器過熱、輸入電壓過低、負(fù)載超速、功率單元異常、接地等各種類型報(bào)警檢測功能，并完全具備對自身及電機(jī)的保護(hù)功能。
三、變頻冷卻系統(tǒng)方案
高壓變頻器對運(yùn)行環(huán)境溫度通常要求在0～40℃，環(huán)境粉塵含量低于950ppm。過高的溫度會造成變頻器溫度過熱保護(hù)而跳閘。在鋼廠粉塵含量高、環(huán)境條件惡劣的條件下，解決高壓變頻器的散熱和運(yùn)行環(huán)境問題，對保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。因此，采用何種冷卻方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變頻器節(jié)能實(shí)施的重要環(huán)節(jié)。
為了解決高壓變頻器的運(yùn)行環(huán)境冷卻和控制問題，提高系統(tǒng)安全可靠性、降低運(yùn)營成本，選用與高壓變頻器配套使用的BLH-CK系列空－水冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)從根本上解決了單位散熱密度高、功率大，有效提高系統(tǒng)安全可靠性、降低運(yùn)營成本的問題。
空－水冷卻系統(tǒng)是一種利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng),其應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。在電力、鋼鐵等行業(yè)的高壓大功率變頻應(yīng)用中得到廣泛的推廣應(yīng)用。該系統(tǒng)由于其采用完全機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較空調(diào)等電力、電子設(shè)備而言具有明顯的安全、可靠性。
其主要原理是：將變頻器的熱風(fēng)通過風(fēng)道直接通過空冷裝置進(jìn)行熱交換，由冷卻水直接將變頻器散失的熱量帶走；經(jīng)過降溫的冷風(fēng)排回至室內(nèi)。空冷裝置內(nèi)通過冷水溫度低于33 ℃，即可以保證熱風(fēng)經(jīng)過散熱片后，將變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度控制在40℃以下滿足變頻器對環(huán)境運(yùn)行的要求。從而，保證了變頻器室內(nèi)良好的運(yùn)行環(huán)境。冷卻水與循環(huán)風(fēng)完全分離，水管線在變頻室外與高壓設(shè)備明確分離，確保高壓設(shè)備室不會受到防水、絕緣破壞等安全威脅和事故。
同時(shí)，由于房間密閉，變頻器利用室內(nèi)的循環(huán)風(fēng)進(jìn)行設(shè)備冷卻，具有粉塵度低，維護(hù)量小的特點(diǎn)；減少了環(huán)境對變頻器功率柜、控制柜運(yùn)行穩(wěn)定性的不利影響。空-水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如下：
該空－水冷卻系統(tǒng)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：
（1）設(shè)備安裝簡單、快捷。整體式的結(jié)構(gòu)組件安裝于變頻器室外，室內(nèi)采用風(fēng)道與變頻器柜頂排氣口直接連接，使得整個(gè)空－水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。
（2）設(shè)備使用壽命長，故障率低，性能可靠。由于空－水冷卻系統(tǒng)采用完全機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較空調(diào)等電力、電子設(shè)備而言具有明顯的安全、可靠性，具有較高的使用壽命。如果一旦冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)水路系統(tǒng)故障，則可關(guān)閉進(jìn)出水閥門；通過風(fēng)路管道系統(tǒng)設(shè)置的上下風(fēng)門，可以直接將熱風(fēng)外排到室外，吸入冷風(fēng)實(shí)現(xiàn)開放式循環(huán)，從而大大提高了變頻器安全、可靠性。
（3）運(yùn)營成本低�？眨鋮s系統(tǒng)的運(yùn)營成本是同等熱交換功率空調(diào)冷卻方式的1/4~1/5。冷卻電耗指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空調(diào)冷卻，避免了能源節(jié)約的二次浪費(fèi)。
（4）變頻器維護(hù)量低，環(huán)境衛(wèi)生。由于房間密閉，冷卻系統(tǒng)與變頻器室形成密閉式循環(huán)風(fēng)進(jìn)行設(shè)備冷卻，具有粉塵進(jìn)入量小，環(huán)境溫、濕度穩(wěn)定等特點(diǎn)。濾網(wǎng)清洗周期有原來的15～30天延長到2～3個(gè)月以上，大大減輕了現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)量和人力成本。
（5）冷卻風(fēng)機(jī)冗余結(jié)構(gòu)配置�？眨鋮s系統(tǒng)中采用的增壓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)壓、風(fēng)量均大于變頻柜頂風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量排放值，當(dāng)變頻器柜頂或增壓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)不會影響系統(tǒng)的冷卻效果。
實(shí)際運(yùn)行效果證明：采用空-水冷卻系統(tǒng)滿足了變頻器在鋼鐵廠平穩(wěn)運(yùn)行的環(huán)境需求，運(yùn)行效果好、設(shè)備維護(hù)量低、運(yùn)營成本少。由于房間密閉循環(huán)，設(shè)備通風(fēng)濾網(wǎng)基本上只需要每3個(gè)月清洗一次。該系統(tǒng)自運(yùn)行以來，較采用空調(diào)冷卻而言，每天可節(jié)約電耗896kWh，每年運(yùn)行300天可節(jié)約電費(fèi)13.44萬元。
高壓變頻器對運(yùn)行環(huán)境溫度通常要求在0～40℃，環(huán)境粉塵含量低于950ppm。過高的溫度會造成變頻器溫度過熱保護(hù)而跳閘。在鋼廠粉塵含量高、環(huán)境條件惡劣的條件下，解決高壓變頻器的散熱和運(yùn)行環(huán)境問題，對保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。因此，采用何種冷卻方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變頻器節(jié)能實(shí)施的重要環(huán)節(jié)。
為了解決高壓變頻器的運(yùn)行環(huán)境冷卻和控制問題，提高系統(tǒng)安全可靠性、降低運(yùn)營成本，選用與高壓變頻器配套使用的BLH-CK系列空－水冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)從根本上解決了單位散熱密度高、功率大，有效提高系統(tǒng)安全可靠性、降低運(yùn)營成本的問題。
空－水冷卻系統(tǒng)是一種利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng),其應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。在電力、鋼鐵等行業(yè)的高壓大功率變頻應(yīng)用中得到廣泛的推廣應(yīng)用。該系統(tǒng)由于其采用完全機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較空調(diào)等電力、電子設(shè)備而言具有明顯的安全、可靠性。
其主要原理是：將變頻器的熱風(fēng)通過風(fēng)道直接通過空冷裝置進(jìn)行熱交換，由冷卻水直接將變頻器散失的熱量帶走；經(jīng)過降溫的冷風(fēng)排回至室內(nèi)。空冷裝置內(nèi)通過冷水溫度低于33 ℃，即可以保證熱風(fēng)經(jīng)過散熱片后，將變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度控制在40℃以下滿足變頻器對環(huán)境運(yùn)行的要求。從而，保證了變頻器室內(nèi)良好的運(yùn)行環(huán)境。冷卻水與循環(huán)風(fēng)完全分離，水管線在變頻室外與高壓設(shè)備明確分離，確保高壓設(shè)備室不會受到防水、絕緣破壞等安全威脅和事故。
同時(shí)，由于房間密閉，變頻器利用室內(nèi)的循環(huán)風(fēng)進(jìn)行設(shè)備冷卻，具有粉塵度低，維護(hù)量小的特點(diǎn)；減少了環(huán)境對變頻器功率柜、控制柜運(yùn)行穩(wěn)定性的不利影響。空-水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如下：
該空－水冷卻系統(tǒng)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：
（1）設(shè)備安裝簡單、快捷。整體式的結(jié)構(gòu)組件安裝于變頻器室外，室內(nèi)采用風(fēng)道與變頻器柜頂排氣口直接連接，使得整個(gè)空－水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。
（2）設(shè)備使用壽命長，故障率低，性能可靠。由于空－水冷卻系統(tǒng)采用完全機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較空調(diào)等電力、電子設(shè)備而言具有明顯的安全、可靠性，具有較高的使用壽命。如果一旦冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)水路系統(tǒng)故障，則可關(guān)閉進(jìn)出水閥門；通過風(fēng)路管道系統(tǒng)設(shè)置的上下風(fēng)門，可以直接將熱風(fēng)外排到室外，吸入冷風(fēng)實(shí)現(xiàn)開放式循環(huán)，從而大大提高了變頻器安全、可靠性。
（3）運(yùn)營成本低�？眨鋮s系統(tǒng)的運(yùn)營成本是同等熱交換功率空調(diào)冷卻方式的1/4~1/5。冷卻電耗指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空調(diào)冷卻，避免了能源節(jié)約的二次浪費(fèi)。
（4）變頻器維護(hù)量低，環(huán)境衛(wèi)生。由于房間密閉，冷卻系統(tǒng)與變頻器室形成密閉式循環(huán)風(fēng)進(jìn)行設(shè)備冷卻，具有粉塵進(jìn)入量小，環(huán)境溫、濕度穩(wěn)定等特點(diǎn)。濾網(wǎng)清洗周期有原來的15～30天延長到2～3個(gè)月以上，大大減輕了現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)量和人力成本。
（5）冷卻風(fēng)機(jī)冗余結(jié)構(gòu)配置�？眨鋮s系統(tǒng)中采用的增壓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)壓、風(fēng)量均大于變頻柜頂風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量排放值，當(dāng)變頻器柜頂或增壓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)不會影響系統(tǒng)的冷卻效果。
實(shí)際運(yùn)行效果證明：采用空-水冷卻系統(tǒng)滿足了變頻器在鋼鐵廠平穩(wěn)運(yùn)行的環(huán)境需求，運(yùn)行效果好、設(shè)備維護(hù)量低、運(yùn)營成本少。由于房間密閉循環(huán)，設(shè)備通風(fēng)濾網(wǎng)基本上只需要每3個(gè)月清洗一次。該系統(tǒng)自運(yùn)行以來，較采用空調(diào)冷卻而言，每天可節(jié)約電耗896kWh，每年運(yùn)行300天可節(jié)約電費(fèi)13.44萬元。
四、節(jié)能計(jì)算
（4）節(jié)能計(jì)算
根據(jù)功率計(jì)算公式：P=×U×I×cosφ，可得：改造前余熱風(fēng)機(jī)的電功率為3193kW，改造后的余熱風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)電耗功率下降到1970kW。兩者相比，采用高壓變頻器進(jìn)行節(jié)能改造后每小時(shí)可節(jié)電1223kWh。節(jié)電率可達(dá)38.3%，節(jié)能效果十分明顯。
僅此一項(xiàng)，每年即可節(jié)約電量88.56萬度，折合節(jié)約3513噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減低碳排放量1997噸，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。
根據(jù)功率計(jì)算公式：P=×U×I×cosφ，可得：改造前余熱風(fēng)機(jī)的電功率為3193kW，改造后的余熱風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)電耗功率下降到1970kW。兩者相比，采用高壓變頻器進(jìn)行節(jié)能改造后每小時(shí)可節(jié)電1223kWh。節(jié)電率可達(dá)38.3%，節(jié)能效果十分明顯。
僅此一項(xiàng)，每年即可節(jié)約電量88.56萬度，折合節(jié)約3513噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減低碳排放量1997噸，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。
五、結(jié)論
首鋼京唐公司1#燒結(jié)機(jī)余熱風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)的投運(yùn)成功，為今后鋼鐵企業(yè)在大功率電機(jī)上采用國產(chǎn)高壓變頻器提供了良好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也證明了北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定，能夠完全滿足現(xiàn)場的需求。其中的空水冷散熱方案，大大降低了散熱所需的電能，降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，值得大力推廣。
首鋼京唐公司1#燒結(jié)機(jī)余熱風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)的投運(yùn)成功，為今后鋼鐵企業(yè)在大功率電機(jī)上采用國產(chǎn)高壓變頻器提供了良好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也證明了北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定，能夠完全滿足現(xiàn)場的需求。其中的空水冷散熱方案，大大降低了散熱所需的電能，降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，值得大力推廣。