產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在濟(jì)鋼燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用
1引言
鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，能源消耗量約占全國(guó)工業(yè)總能耗的15%，廢水和固體廢棄物排放量分別占工業(yè)排放總量的14%和17%，是節(jié)能減排的重點(diǎn)行業(yè)。在鋼鐵企業(yè)中，燒結(jié)工序能耗僅次于煉鐵工序，占總能耗的9%~12%，節(jié)能潛力很大。在燒結(jié)工序總能耗中，有近50％的熱能以燒結(jié)機(jī)煙氣和冷卻機(jī)廢氣的形式排入大氣。由于燒結(jié)冷卻機(jī)廢氣為中低溫廢氣，溫度在150℃～450℃之間，且波動(dòng)范圍較大，加上此前余熱回收技術(shù)的局限，燒結(jié)余熱利用往往是投資高，效率低，投資回收周期長(zhǎng)，長(zhǎng)期以來得不到有效利用。隨著國(guó)內(nèi)燒結(jié)機(jī)面積不斷的擴(kuò)大，燒結(jié)礦生產(chǎn)效率越來越高，其在冷卻過程中產(chǎn)生的廢氣所攜帶的熱量已經(jīng)引起了人們的高度關(guān)注。國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)、制造的燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電機(jī)組也發(fā)展起來。
2燒結(jié)余熱循環(huán)利用介紹
燒結(jié)余熱回收主要有兩部分：一是燒結(jié)機(jī)尾部廢氣余熱，二是熱燒結(jié)礦在冷卻前空冷時(shí)產(chǎn)生的廢氣余熱。這兩部分廢氣所含熱量約占燒結(jié)總耗能的50%，充分利用這部分熱量是提高燒結(jié)能源利用效率，顯著降低燒結(jié)工序能耗的途徑之一。
目前，國(guó)內(nèi)燒結(jié)廢氣余熱回收利用主要有三種方式：一是直接將廢煙氣經(jīng)過凈化后作為點(diǎn)火爐的助燃空氣或用于預(yù)熱混合料，以降低燃料消耗，這種方式較為簡(jiǎn)單，但余熱利用量有限，一般不超過煙氣量的10%；二是將廢煙氣通過熱管裝置或余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，并入全廠蒸汽管網(wǎng)，替代部分燃煤鍋爐；三是將余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電。
3濟(jì)鋼400㎡燒結(jié)余熱發(fā)電工藝介紹
濟(jì)鋼煉鐵廠燒結(jié)余熱發(fā)電工程設(shè)計(jì)發(fā)電能力14000kW。由一臺(tái)Q334（272）/450（330）-55.5(14)-2.35(0.3)/400（210）雙壓余熱鍋爐和一臺(tái)BN14-2.25/（0.3）+QF-W15-2補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組成。具體工藝流程見圖1。
圖1 濟(jì)鋼煉鐵廠燒結(jié)余熱發(fā)電工藝流程圖
通過引風(fēng)機(jī)將帶冷機(jī)1號(hào)、2號(hào)煙囪的煙氣引出，混合后進(jìn)入有效余熱鍋爐，加熱鍋爐內(nèi)的水產(chǎn)生過熱蒸汽和低壓飽和蒸汽，供給汽輪機(jī)發(fā)電。但是在這個(gè)過程中引風(fēng)機(jī)排出煙氣溫度仍在150℃以上，這部分煙氣熱量也是可以再次循環(huán)利用的。濟(jì)鋼400㎡燒結(jié)余熱發(fā)電配備循環(huán)風(fēng)機(jī)(使用沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠F32型鼓風(fēng)機(jī))一臺(tái)，配套西安西瑪YJTKK7105-6(10kV /1600kW)變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)一臺(tái)，啟動(dòng)方式采用變頻啟動(dòng)。引風(fēng)機(jī)排出的煙氣經(jīng)過三通擋板閥一部分排向大氣，一部分經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后返回環(huán)冷機(jī)風(fēng)池。既作為冷卻介質(zhì)冷卻燒結(jié)礦，同時(shí)提高環(huán)冷機(jī)排煙溫度。
燒結(jié)余熱發(fā)電是一項(xiàng)將燒結(jié)廢氣余熱資源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ墓?jié)能技術(shù)。該技術(shù)不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其他有害氣體，能夠有效提高燒結(jié)工序的能源利用效率，平均每噸燒結(jié)礦產(chǎn)生的煙氣余熱回收可發(fā)電20kW·h，折合噸鋼綜合能耗可降低約8千克標(biāo)準(zhǔn)煤，從而促進(jìn)鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。
4風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載節(jié)能分析
一般異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為：n1＝60f/p
而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個(gè)滑差關(guān)系： n= n1（1-s）=60f/p（1-s）
由上式可以得到，改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變f、p、s可以達(dá)到。
針對(duì)某一電動(dòng)機(jī)而言p是一定的，而通過改變s進(jìn)行調(diào)速空間非常小，所以變頻調(diào)速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速是異步電動(dòng)機(jī)的較為合理的調(diào)速方法。
若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)較主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學(xué)相似定律： Q1/Q2＝n1/n2 輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；
H1/H2＝(n1/n2)2 輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；
P1/P2＝(n1/n2)3輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量（水泵流量）需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門（閥門）的開度，則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量（流量），可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)（水泵）低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為：
E=〔1-( n′/n) 3〕×P×T (kW·h)
式中： n——額定轉(zhuǎn)速
n′—— 實(shí)際轉(zhuǎn)速
P——額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率
T——工作時(shí)間
可見，通過變頻對(duì)風(fēng)機(jī)（水泵）進(jìn)行控制，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
5高壓變頻器選型及變頻調(diào)速方案
5.1變頻器選型
經(jīng)過大量的技術(shù)論證，并且對(duì)目前高壓變頻器市場(chǎng)充分考查后，選用了山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1600F高壓變頻器對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，不但節(jié)約能源而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。
表1 循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)：
表2 山東新風(fēng)光JD-BP38-1600F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)：
5.2變頻調(diào)速方案
通過對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的研究、分析，綜合其中存在的問題，以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，提供較佳性價(jià)比方案”的原則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，決定采用一拖一手動(dòng)方案。其一次電路如圖2所示：
圖2 高壓變頻系統(tǒng)一次接線圖
QF為用戶原高壓開關(guān)；
K1、K2和K3為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)；
BPQ為風(fēng)光JD-BP38-1600F高壓變頻器；
M為高壓電動(dòng)機(jī)。
變頻器控制風(fēng)機(jī)為一拖一控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。K1，K2和K3為3個(gè)高壓隔離開關(guān)，要求K2和K3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。K2斷開，K1和K3閉合，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行；K1和K3斷開，K2閉合，風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。
5.3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
（1）電機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟停止。
（2）可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速，可以根據(jù)生產(chǎn)需要線性調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量。
（3）調(diào)速區(qū)段內(nèi)的設(shè)備調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制由機(jī)組DCS完成，DCS負(fù)責(zé)采集模擬量、開關(guān)量等信號(hào)，變頻器輸出的模擬量、開關(guān)量信號(hào)全部進(jìn)入DCS系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)輔機(jī)聯(lián)鎖功能等。
（4）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，分為兩種工作方式：一種為遠(yuǎn)方手動(dòng)方式，在這種工作方式下，操作員通過DCS系統(tǒng)的CRT手動(dòng)給定信號(hào)，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；一種方式為遠(yuǎn)方自動(dòng)方式，在這種工作方式下，轉(zhuǎn)速給定是在DCS系統(tǒng)中根據(jù)工況運(yùn)用相關(guān)算法進(jìn)行運(yùn)算，得出相應(yīng)風(fēng)壓值，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)頻率值，輸出給變頻器，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度，使系統(tǒng)參數(shù)跟隨給定值變化，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。
（5）信息傳遞：變頻器可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)組DCS系統(tǒng)的雙向信息傳遞，可完成自診斷、報(bào)警和接收指令的功能。變頻器可提供給DCS系統(tǒng)如下參量：輸出轉(zhuǎn)速、輸出電流、變頻器溫度等反饋信息，通過4～20mA電流源模擬量輸出。提供的開關(guān)量有：變頻器報(bào)警及故障信息、啟停狀態(tài)信息、高壓開關(guān)控制信號(hào)（高壓合閘允許、高壓開關(guān)緊急分?jǐn)啵┑取Ｗ冾l器接收的DCS的模擬量信號(hào)為遠(yuǎn)控轉(zhuǎn)速給定，開關(guān)量為遠(yuǎn)方啟/停、高壓就緒信號(hào)等。
（6）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、功率單元異常等各種類型報(bào)警檢測(cè)功能，并完全具備對(duì)自身及電機(jī)的保護(hù)功能。
（7）安全運(yùn)行保障：
a 機(jī)組運(yùn)行過程中，由于各種原因發(fā)生廠用電切換，會(huì)造成控制電源消失，變頻器兩路電源可自動(dòng)切換。
b 當(dāng)變頻器出現(xiàn)單元故障，變頻器可將故障單元旁路，并進(jìn)行“星點(diǎn)漂移”，避免不必要的停機(jī)。
c 當(dāng)變頻器整體故障或控制電源消失或按下緊急停機(jī)按鈕時(shí)，高壓變頻器高壓開關(guān)跳閘，切斷電源，同時(shí)參與聯(lián)鎖。
（8）系統(tǒng)的變頻風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻供電和電網(wǎng)供電相互切換運(yùn)行，可手動(dòng)切換，當(dāng)變頻器發(fā)生異常后，風(fēng)機(jī)仍需要運(yùn)行，這時(shí)可將電機(jī)切換到工頻電網(wǎng)起動(dòng)。
（9）變頻風(fēng)機(jī)具有互鎖功能，確保同一電機(jī)不出現(xiàn)變頻、工頻同時(shí)驅(qū)動(dòng)，具有完善的保護(hù)、報(bào)警功能（包括信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)在內(nèi)）。
6現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及節(jié)能效果
（1）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況
濟(jì)鋼燒結(jié)余熱發(fā)電自2010年7月份投產(chǎn)以來運(yùn)行良好。由于余熱發(fā)電項(xiàng)目是余熱回收現(xiàn)效益最大化，但在生產(chǎn)過程中首先保證燒結(jié)礦的冷卻質(zhì)量再談?dòng)酂峄厥铡＿@就要求冷卻風(fēng)鼓風(fēng)量與引風(fēng)量有個(gè)良好的匹配問題。在這個(gè)問題上循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器發(fā)揮了重要作用。通過變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)冷卻機(jī)的鼓風(fēng)量，使燒結(jié)礦冷卻效果良好同時(shí)又使發(fā)電量最大化。
（2）節(jié)能效果
在正常生產(chǎn)情況下，本臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行頻率在20-30Hz,高壓側(cè)輸入電流在45-70A。與同功率電機(jī)運(yùn)行狀況比較循環(huán)風(fēng)機(jī)節(jié)能效率大約為38%，節(jié)能效果十分明顯。
7結(jié)論
近幾年，隨著雙壓、閃蒸發(fā)電和補(bǔ)汽蒸汽式汽輪機(jī)在技術(shù)上獲得突破，燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)已逐漸進(jìn)入成熟階段，同時(shí)其在節(jié)能環(huán)保、減少污染排放、經(jīng)濟(jì)效益等方面的顯著優(yōu)勢(shì)使得其發(fā)展迅速。燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)采用JD-BP38-1600F高壓變頻器，不但操作方便、維護(hù)量小，而且有明顯的節(jié)能效果。通過變頻對(duì)風(fēng)機(jī)（水泵）進(jìn)行控制，再次實(shí)現(xiàn)節(jié)能項(xiàng)目中的設(shè)備節(jié)能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得大力推廣。
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