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高壓變頻器在濟鋼燒結機余熱發電系統中的應用

2014-04-12 11:05:25

濟鋼集團煉鐵廠 李振玉

山東新風光電子科技發展有限公司 徐長海 焦勇

濟寧圣地電力設計院 李利生

Li Zhenyu   Xu Changhai   Jiao Yong   Li Lisheng

摘  要:本文介紹了風光牌高壓變頻器在濟鋼集團煉鐵廠循環風機中的應用情況,闡述了變頻調速系統的實現機理、功能及特點,對節能效果進行了分析。從全新的角度,詮釋了高壓變頻調速系統與現場DCS系統的高效對接,提高了燒結機余熱發電系統的自動化性能。

關鍵詞:變頻調速系統  燒結機  余熱發電

Abstract:  The article introduces the application instances of FengGuang high voltage inverter in circular fan systems of the second sintering plant of Jinan Iron and Steel Group, it is a description of the frequency control system implementation mechanism, function and features, and the energy savings is analyzed. From a new perspective, interpretation of the high-voltage frequency control system and DCS systems in efficient docking site, and enhance the automation of sintering waste heat power generation system performance quoted.

Key words: Frequency control system   Sintering machine   Waste heat generation

1引言

  鋼鐵工業是國民經濟重要基礎產業,能源消耗量約占全國工業總能耗的15%,廢水和固體廢棄物排放量分別占工業排放總量的14%和17%,是節能減排的重點行業。在鋼鐵企業中,燒結工序能耗僅次于煉鐵工序,占總能耗的9%~12%,節能潛力很大。在燒結工序總能耗中,有近50%的熱能以燒結機煙氣和冷卻機廢氣的形式排入大氣。由于燒結冷卻機廢氣為中低溫廢氣,溫度在150℃~450℃之間,且波動范圍較大,加上此前余熱回收技術的局限,燒結余熱利用往往是投資高,效率低,投資回收周期長,長期以來得不到有效利用。隨著國內燒結機面積不斷的擴大,燒結礦生產效率越來越高,其在冷卻過程中產生的廢氣所攜帶的熱量已經引起了人們的高度關注。國內自主設計、制造的燒結機余熱發電機組也發展起來。

2燒結余熱循環利用介紹

   燒結余熱回收主要有兩部分:一是燒結機尾部廢氣余熱,二是熱燒結礦在冷卻前空冷時產生的廢氣余熱。這兩部分廢氣所含熱量約占燒結總耗能的50%,充分利用這部分熱量是提高燒結能源利用效率,顯著降低燒結工序能耗的途徑之一。

  目前,國內燒結廢氣余熱回收利用主要有三種方式:一是直接將廢煙氣經過凈化后作為點火爐的助燃空氣或用于預熱混合料,以降低燃料消耗,這種方式較為簡單,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生蒸汽,并入全廠蒸汽管網,替代部分燃煤鍋爐;三是將余熱鍋爐產生蒸汽用于驅動汽輪機組發電。

3濟鋼400㎡燒結余熱發電工藝介紹

  濟鋼煉鐵廠燒結余熱發電工程設計發電能力14000kW。由一臺Q334(272)/450(330)-55.5(14)-2.35(0.3)/400(210)雙壓余熱鍋爐和一臺BN14-2.25/(0.3)+QF-W15-2補汽凝汽式汽輪發電機組成。具體工藝流程見圖1。

圖1 濟鋼煉鐵廠燒結余熱發電工藝流程圖

  通過引風機將帶冷機1號、2號煙囪的煙氣引出,混合后進入高效余熱鍋爐,加熱鍋爐內的水產生過熱蒸汽和低壓飽和蒸汽,供給汽輪機發電。但是在這個過程中引風機排出煙氣溫度仍在150℃以上,這部分煙氣熱量也是可以再次循環利用的。濟鋼400㎡燒結余熱發電配備循環風機(使用沈陽鼓風機廠F32型鼓風機)一臺,配套西安西瑪YJTKK7105-6(10kV /1600kW)變頻調速三相異步電動機一臺,啟動方式采用變頻啟動。引風機排出的煙氣經過三通擋板閥一部分排向大氣,一部分經循環風機增壓后返回環冷機風池。既作為冷卻介質冷卻燒結礦,同時提高環冷機排煙溫度。

  燒結余熱發電是一項將燒結廢氣余熱資源轉變為電力的節能技術。該技術不產生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其他有害氣體,能夠有效提高燒結工序的能源利用效率,平均每噸燒結礦產生的煙氣余熱回收可發電20kW·h,折合噸鋼綜合能耗可降低約8千克標準煤,從而促進鋼鐵企業實現節能降耗目標。

4風機水泵類負載節能分析

  一般異步電動機的同步轉速為:n1=60f/p

  而異步電動機轉速n與同步轉速n1存在一個滑差關系: n= n1(1-s)=60f/p(1-s)

  由上式可以得到,改變異步電動機的轉速可以通過改變f、p、s可以達到。

  針對某一電動機而言p是一定的,而通過改變s進行調速空間非常小,所以變頻調速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速是異步電動機的最為合理的調速方法。   

  若均勻地改變供電頻率f,即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點,目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式,在很多領域都獲得了廣泛的應用。

  根據流體力學相似定律: Q1/Q2=n1/n2 輸出風量Q與轉速n成正比;

              H1/H2=(n1/n2)2 輸出壓力H與轉速n2正比;

              P1/P2=(n1/n2)3輸出軸功率P與轉速n3正比。   

  當風機風量(水泵流量)需要改變時,如調節風門(閥門)的開度,則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量(流量),可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時,當風機(水泵)低于額定轉速時,理論節電為:

  E=〔1-( n′/n) 3〕×P×T (kW·h)

  式中: n——額定轉速

      n′—— 實際轉速

      P——額定轉速時電機功率

      T——工作時間   

  可見,通過變頻對風機(水泵)進行控制,不但節能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。

5高壓變頻器選型及變頻調速方案

  5.1變頻器選型

  經過大量的技術論證,并且對目前高壓變頻器市場充分考查后,選用了山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-1600F高壓變頻器對循環風機進行變頻控制,不但節約能源而且大大提高了設備運行性能。

  表1   循環風機電機參數:

  表2   山東新風光JD-BP38-1600F高壓變頻器技術參數:

  5.2變頻調速方案

  通過對循環風機動力系統的研究、分析,綜合其中存在的問題,以“先保證系統安全可靠,結構合理,提供最佳性價比方案”的原則對系統進行方案設計,決定采用一拖一手動方案。其一次電路如圖2所示:

圖2  高壓變頻系統一次接線圖

  QF為用戶原高壓開關;

  K1、K2和K3為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關;

  BPQ為風光JD-BP38-1600F高壓變頻器;

  M為高壓電動機。

  變頻器控制風機為一拖一控制,旁路開關柜用于工/變頻切換。K1,K2和K3為3個高壓隔離開關,要求K2和K3不能同時閉合,在機械上實現互鎖的同時實現電磁互鎖。K2斷開,K1和K3閉合,風機變頻運行;K1和K3斷開,K2閉合,風機工頻運行。

  5.3高壓變頻調速系統優勢

  (1)電機拖動風機可實現軟起動和軟停止。

 ?。?)可實現線性調速,可以根據生產需要線性調節風機風量。

 ?。?)調速區段內的設備調節和優化控制由機組DCS完成,DCS負責采集模擬量、開關量等信號,變頻器輸出的模擬量、開關量信號全部進入DCS系統,形成閉環控制,同時實現相關輔機聯鎖功能等。

 ?。?)系統設有就地和遠方兩種控制途徑,就地控制是在變頻器處通過變頻器觸摸屏進行操作或應急處理;遠方控制是在控制室內進行,分為兩種工作方式:一種為遠方手動方式,在這種工作方式下,操作員通過DCS系統的CRT手動給定信號,調節變頻器,改變電機轉速,達到調節風量的目的;一種方式為遠方自動方式,在這種工作方式下,轉速給定是在DCS系統中根據工況運用相關算法進行運算,得出相應風壓值,轉換成對應頻率值,輸出給變頻器,調節風機的速度,使系統參數跟隨給定值變化,從而達到自動調節風量的目的。

 ?。?)信息傳遞:變頻器可以實現與機組DCS系統的雙向信息傳遞,可完成自診斷、報警和接收指令的功能。變頻器可提供給DCS系統如下參量:輸出轉速、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。提供的開關量有:變頻器報警及故障信息、啟停狀態信息、高壓開關控制信號(高壓合閘允許、高壓開關緊急分斷)等。變頻器接收的DCS的模擬量信號為遠控轉速給定,開關量為遠方啟/停、高壓就緒信號等。

 ?。?)完備的?;すδ埽罕淦燈髂詒;づ渲悶肴?,有運行中開門、冷卻風扇停運、變頻器過熱、輸入電壓過低、負載超速、功率單元異常等各種類型報警檢測功能,并完全具備對自身及電機的?;すδ?。

 ?。?)安全運行保障:

  a 機組運行過程中,由于各種原因發生廠用電切換,會造成控制電源消失,變頻器兩路電源可自動切換。

  b 當變頻器出現單元故障,變頻器可將故障單元旁路,并進行“星點漂移”,避免不必要的?;?。

  c 當變頻器整體故障或控制電源消失或按下緊急?;磁ナ?,高壓變頻器高壓開關跳閘,切斷電源,同時參與聯鎖。

 ?。?)系統的變頻風機實現變頻供電和電網供電相互切換運行,可手動切換,當變頻器發生異常后,風機仍需要運行,這時可將電機切換到工頻電網起動。

 ?。?)變頻風機具有互鎖功能,確保同一電機不出現變頻、工頻同時驅動,具有完善的?;?、報警功能(包括信號檢測系統在內)。

6現場應用及節能效果

  (1)現場應用情況

  濟鋼燒結余熱發電自2010年7月份投產以來運行良好。由于余熱發電項目是余熱回收現效益最大化,但在生產過程中首先保證燒結礦的冷卻質量再談余熱回收。這就要求冷卻風鼓風量與引風量有個良好的匹配問題。在這個問題上循環風機變頻器發揮了重要作用。通過變頻器調節循環風機的轉速,來調節冷卻機的鼓風量,使燒結礦冷卻效果良好同時又使發電量最大化。

 ?。?)節能效果

  在正常生產情況下,本臺循環風機變頻器運行頻率在20-30Hz,高壓側輸入電流在45-70A。與同功率電機運行狀況比較循環風機節能效率大約為38%,節能效果十分明顯。

7結論

   近幾年,隨著雙壓、閃蒸發電和補汽蒸汽式汽輪機在技術上獲得突破,燒結余熱發電技術已逐漸進入成熟階段,同時其在節能環保、減少污染排放、經濟效益等方面的顯著優勢使得其發展迅速。燒結余熱發電系統循環風機電機采用JD-BP38-1600F高壓變頻器,不但操作方便、維護量小,而且有明顯的節能效果。通過變頻對風機(水泵)進行控制,再次實現節能項目中的設備節能,具有顯著的經濟效益和社會效益,值得大力推廣。

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