变频技术在烧结脱硫增压风机上的应用与节能分析

发表时间:2019/3/12   来源:《电力设备》2018年第27期   作者:曹永泓
[导读] 摘要:随国家环保部门对烧结烟气排放指标的考核和监督越来越严格, 烧结机正进行大规模的脱硫系统改造或新建工程, 增压风机是烧结机脱硫烟气排放系统的重要设备。
        (永清环保股份有限公司湘钢运营部  湖南湘潭  411101)
        摘要:随国家环保部门对烧结烟气排放指标的考核和监督越来越严格, 烧结机正进行大规模的脱硫系统改造或新建工程, 增压风机是烧结机脱硫烟气排放系统的重要设备。对增压风机进行变频改造可以提高风机的运行稳定性, 进而保证了机组脱硫系统的运行可靠性, 同时还能取得良好的节能效果, 但由于增压风机的特殊要求, 在改造中, 应针对增压风机在脱硫工艺系统中的运行特点, 注意相关技术问题, 采取相关对策方能确保变频改造的成功。
        关键词:变频技术;脱硫增压风机;应用;节能;
        1前言
        GB28662-2012<<钢铁烧结、球团工业大气污染排放标准》比GB9078-1996对钢铁烧结烟气中的大气污染物的排放做出了更加严格的规定,烧结机头烟气中二氧化硫排放浓度须小于200mg/Nm3,粉尘排放浓度须小于50mg/Nm3。为确保烧结烟气二氧化硫和粉尘排放的达标,烧结机正进行大规模的脱硫系统改造或新建工程。而在这些脱硫工程中,绝大多数项目设置了增压风机,以克服脱硫系统带来的压力损失。
        2、增压风机的工作原理
        增压风机的工作原理是当电机通过联轴器带动主动轴转动时, 安装在主动轮上的齿轮带动从动轮上的齿轮, 按相反方向同步旋转, 使啮合的转子相随转动, 从而使机壳与转子形成一个空腔, 气体从进气口进入空腔。这时气体会受到压缩并被转子挤出出气口, 而另一个转子则转到与第一个转子在压缩开始的相对位置, 与机壳的另一边形成一个新空腔, 新的气体又进入这一空腔, 被挤压出。连续运动从而达到增压的目的。目前,高压变频器还没有像低压变频器那样有着近乎统一的拓扑结构,市场上高压变频器品牌较多,结构、性能、价格和使用各有不同。因此,以实用可靠为原则,以高性能价格比为标准,结合电厂负荷实际情况做好选型工作是使用高压变频器技术最重要的一步。风机类负荷表现为平方转矩特性,电机一般运行在第一象限,因此通常选用高-低-高型高压变频器以及直接高压型变频器中的三电平方案和单元串联多电平方案。
        3、变频技术在脱硫增压风机上的应用与节能分析
        3.1变频调速节电计算。风机运行特性变频调速改造后,机组低负荷工况下风机转速降低时,系统消耗电功率将大大降低,由于电机的轴功率受转速的影响过大,所以可通过考察风机转速的变化情况,来直接分析变频调速的节能效果。可以保证在正常工况下的工频—变频切换或事故状态下的自动切换,提高了供电可靠性。由于增加了高压变频器,也就增加了潜在故障点,设备总体运行可靠性系数会相对降低,风机跳闸的概率会增加。
        3.2控制流程。由变频器、电机、风机和压力变送器组成风压闭环控制系统,自动调节电机转速,使原烟气压力稳定在设定范围内,可通过自动、手动和工频运行三种方式进行恒压控制。1)自动运行。采用压力变送器对原烟气压力进行测量,压力控制信号由控制导叶开度改为控制变频器的输出频率,从而改变风机转速,使压力控制在给定值附近,保持压力稳定。在自动运行方式下,当变频器故障跳闸时,变频器立即停止输出,2~5s后自动联动工频运行,同时反馈信号至DCS。2)手动运行。采用人/机界面液晶屏调节变频器的输出频率(或在DCS画面上手动给定频率),改变风机的转速,从而使压力保持稳定。3)工频运行。在工频运行状态下,变频器输出50Hz不变的频率,风机作恒速运行。通过对控制方式及工况的综合分析,从技术层面讲,完全能够实现针对不同工况的控制方式的切换,并在控制逻辑上实现多重保障,控制流程可行,但由于增加了控制环节,会使故障点的概率增加。综上所述,增压风机电机变频改造的可行性结论为:技术上可行,节能效果显著,但增压风机的可靠性会相对下降一些。


        3.3变频调速保护设计。在变频调速保护设计方面需要注意的问题。1)电机防振保护设计。高压电机经过变频改造后,转速会在0至额定转速之间平滑变化,电机拖动风机在变速转动中,一般会出现1个或2个共振点。解决该问题的方法是在变频器投运前,先采用手动控制频率,使电机和风机在不同转速下运转,记录其超标时的振动值,并在变频器中加以屏蔽。2)设备闭锁保护设计。在变频器旁路开关和出线开关之间,必须设置闭锁,并在PLC中增加软闭锁,防止误操作时造成2台断路器同时合闸,因为两个不同频率的电源并联会损坏变频器。3)工频旁路闭锁保护设计。为保证脱硫系统运行可靠,必须设置自动工频旁路。在设计时必须防止工频和变频出口开关由于误操作而并列运行,因为两个不同频率的系统并列运行会损坏变频系统。4)变频器瞬停保护设计。由于机组厂用电母线大多带有给水泵电机,一般超过在给水泵联锁启动时,母线电压会跌落至80%以下。根据泵启动后带负荷的情况,电压跌落持续时间为10~20s,因此变频器瞬停保护对保证风机的持续运行非常重要。电压型变频器功率单元,由于用大容量的高压电容器作为整流滤波环节,而该电容具有一定的储能作用,在输入断电的情况下能够维持输出一段时间,因此内置的滤波器电容量越大、负荷运行频率越低、输出功率越小则可维持的时间越长。一般变频器可承受-30%电源电压下降和5个周期电源丧失。具体瞬停(低电压)时间根据电机定子和转子的参数频率特性、电机最低运行频率来计算确定。5)轴承润滑方式保护设计。 由于增压风机为低转速、低压头、大流量风机,轴径较大,电机极对数大多为10极或者12极,因此在调试中需要注意:①工频切换至变频时,尽可能减小电机惰走时间,防止变频器投入时过流而跳闸。②变频器最低频率的限制,应由低转速下的轴承润滑能力来确定。相比之下,采用压力供油润滑方式,要比采用油脂或者油环方式好,能有效解决低转速下轴承润滑问题。
        3.4变频调速节能效果。一是变频调速节能的特点。1)控制电机的启动电流。 电机工频直接启动时,启动电流是电机额定电流的4~7倍。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量,缩短电机的使用寿命。而变频调速可以在零速零压启动,降低了电机的启动电流,提高了绕组承受力,降低了电机的维护成本,延长了电机的使用寿命。2)改善启动时的电压波动。在电机启动瞬间、电流剧增的同时,电压会大幅度波动,而电压下降的幅度,取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压瞬间下降会引发同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常,如传感器、接近开关和接触器等均可能发生误动。而变频调速可以在零频零压时逐步启动,在最大程度上消除了电压下降。3)延长设备的使用寿命。变频调速后,设备低速运行可以减少磨损和降低噪音,有利于延长电机和风机的使用寿命。4)节能效果显著。由于电机能耗与电机的转速成立方比,所以采用变频调速后,大大节约了成本。增压风机用于克服脱硫系统增加的烟气阻力。当负荷变化时,变频增压风机通过调整转速来调整出力,不仅节能,而且大大提高了风机出力的可控性,对于保证包括炉膛负压在内的整个烟气压力平衡有很大的裨益。
        4结语
        变频调速用于交流异步电机调速,其性能远远超过以往常规交直流调速方式。烧结脱硫系统增压风机电机实施变频调速后,可以实现电机软启停,有效地避免启动时冲击电流和电压的危害,从而延长设备的使用寿命;有效降低了用电量,节电效果十分显著,且电机变频改造项目投资合理,回收周期短,经济效益十分明显。
        参考文献:
        [1] 《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》(GB28662-2012)
        [2] 王朝晖. 泵与风机[M]. 北京: 中国石化出版社, 2017.
        [3] 王汝武. 节能技术及工程实例[M]. 北京: 化学工业出版社, 2016.
        [4] 徐甫荣. 高压变频器调速技术应用实践[M]. 北京: 中国电力出版社, 2017.
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