燒結(jié)廠同步主引風機的調(diào)速控制
主引風機是燒結(jié)生產(chǎn)的主要設備之一。其風壓、風量的變化，對燒結(jié)生產(chǎn)的影響很大，另外，其電耗一般占整個生產(chǎn)線的l/3左右。因此，合理地控制主引風機的運行狀態(tài)，對燒結(jié)生產(chǎn)的合理控制以及大量降低生產(chǎn)電耗有重要意義。
1燒結(jié)主風機應用變頻調(diào)速的重要性
我國鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)廠都廣泛存在著生產(chǎn)原料及工況變化的情況，為適應生產(chǎn)，目前只有改變主引風機的風門開度來滿足燒結(jié)生產(chǎn)過程的需要，這在過去幾乎成了一種統(tǒng)一的模式，存在著很多弊端。其一，這根本無法隨時動態(tài)跟蹤工藝進行風量調(diào)節(jié)以滿足最佳工藝的要求；其二，據(jù)我們考察寶鋼、首鋼等燒結(jié)廠的主引風機，一般風門開度都在40％～60％之間，電能的損失和浪費很大：其三，風機起動困難，起動過程故障率高，對電網(wǎng)影響大等。為克服這些弊端，我們想到應用變頻調(diào)速技術(shù)。
根據(jù)我們廠的生產(chǎn)經(jīng)驗，燒結(jié)生產(chǎn)過程中，對風量的要求，有一個動態(tài)平衡的過程，各項技術(shù)經(jīng)濟指標越先進，對平衡的要求就越高。因此，我們萌發(fā)了主引風機變頻調(diào)速改造的設想，利用良好的現(xiàn)代化跟蹤手段，實現(xiàn)配料大小循環(huán)，三機聯(lián)調(diào)，把點火溫度及主燒結(jié)負壓，一同進入大閉環(huán)控制。這些設想的實現(xiàn)，最重要而且最困難的就是主引風機的調(diào)速問題，隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，用高壓變頻器來實現(xiàn)上述連續(xù)、精確的調(diào)控，條件已經(jīng)成熟。
實現(xiàn)主引風機變頻控制，就能合理地、隨時、動態(tài)地調(diào)節(jié)風的負壓和流量，使風量和風壓相對恒定，為均質(zhì)燒結(jié)生產(chǎn)提供了有利條什。反之，沒有良好的調(diào)節(jié)方法、燒結(jié)氣流靠人工進行調(diào)節(jié)，根本無法合理應用，這樣就有可能出現(xiàn)大量生料，成品率和工序能耗等指標都難以達到良好的指標。主引風機采刷變頻調(diào)速后，原來風門控制的風量變成由轉(zhuǎn)速來控制，從輸出功率P與風機轉(zhuǎn)速關(guān)系p=KW3（其中K為風機常數(shù)，W為電動機旋轉(zhuǎn)角頻率）可知，風量須減少時轉(zhuǎn)速下降，P隨轉(zhuǎn)速立方倍下降，克服了以前調(diào)節(jié)風門功率損耗大的問題。另外電動機起動由原來全壓或降壓起動，變成變頻起動后，起動性能大大改善，大電動機起動困難、沖擊大、易損傷等問題便迎刃而解了。
2燒結(jié)大風機應用變頻調(diào)速的可行性
目前，許多小功率的風機應用變頻調(diào)速、效益已得到證實，但在國內(nèi)，尚無燒結(jié)主引風機應用變頻調(diào)的先例，燒結(jié)風機能否應用變頻調(diào)速呢?目前，大型異步電動機變頻調(diào)速也屢見不鮮，而大型同步機應用變頻調(diào)速在國內(nèi)還未有先例，同步電動機應用變頻調(diào)速究竟如何?同軸主油泵在實現(xiàn)風機調(diào)速后，如何補充油量?這些問題，都是應用變頻調(diào)速前要解決的。
1）為了證實燒結(jié)風機應用變頻調(diào)速的可行性，我們在燒結(jié)杯試驗中進行了變頻調(diào)速試驗，得到了一組令人滿意的數(shù)據(jù)如表l所示。
從試驗數(shù)據(jù)可見，未裝變頻前，風門開度從0～90風量基本不變，風壓從3.24～20.77kPa變化，整個試驗過程，電流保持3.4A大致不變；裝變頻器后，風門全開，600mm料層時，測得風量從9800～20000m3/h時，負壓從3.04～19.65kPa，電流從06～2．6A，節(jié)電效果十分明顯。2001年1月，在羅克韋爾自動化和廣西南寧怡得發(fā)展公司格州分公司（柳州市怡得安豪科技發(fā)展有限公司）的協(xié)助下，我們正式將A-B高壓變頻器用在2000kW同步電動機上，進一步驗證了燒結(jié)主風機應用變頻調(diào)速的實際效果。
在正常生產(chǎn)情況下．負壓下降了近4kPa，功率節(jié)約了近600kW，對生產(chǎn)工藝和節(jié)電產(chǎn)生了重要作用。
試驗和實踐均充分證明，燒結(jié)主風機應用變頻調(diào)速足完全可行，而且是非常成功的。
2）大型同步電動機應用變頻調(diào)速是否可行?通過我們的實踐。得到了充分的肯定。同步機應用變頻調(diào)速后，拋棄了原來的異步起動的方法，由A-B高壓變頻系統(tǒng)配套，采用同步起動方法，隨著電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化，自動調(diào)節(jié)運行參數(shù)，整個過程十分平穩(wěn)，對電網(wǎng)沖擊力。A-B高壓變頻器可做到同步機定、轉(zhuǎn)子電流及功率因數(shù)等各參數(shù)最佳匹配，從而使運行效果達到最佳。
3）主引風機系統(tǒng)潤滑在直動前由副油泵負責．起動完畢后，是由與同步機同軸的主油泵供油的。這樣，在風機變頻調(diào)速后，主油泵可能運行在低速狀態(tài)，所以，供油系統(tǒng)就必須考慮油量的補充問題：怡得公司在完成這個工作時，采用了付油泵變頻PID調(diào)節(jié)方式，用較少的投資，保證了主風機低速時，潤滑系統(tǒng)的正常供油。這也對主風機變頻調(diào)速的實施起到了重要的保證作用。
4）由于同步電動機的冷卻是自循環(huán)風冷，當電動機轉(zhuǎn)速下降時，冷卻效果也會下降，但由于風機的特性所致，低速時電動機負載成立方倍下降，所以發(fā)熱量也大大減少，實踐證明，電動機低速運轉(zhuǎn)時，溫度反而下降了。
3具體方案的選擇及設計框圖
大功率、高電壓的變頻器，在國內(nèi)使用尚不普遍，因此，進行這樣大的投資，必須認真地選擇合理的方案。中高壓變頻器，目前從主電路的結(jié)構(gòu)型式可分為交-直-交和交-交兩種。交一交型變頻器由于控制方式?jīng)Q定了其輸出頻率只能達到l/3～182原頻率，故不能滿足我們的要求，而交-直-交型變頻器不受電源頻率的限制，頻率調(diào)節(jié)范圍寬，且元件少，利用率等能滿足我們的需要。交一直一交變頻器由于直流部分不同，又可人為電壓型和電流型。電壓型變頻器的輸出電壓為方波，當負載出現(xiàn)短路時或在變頻器運行時投入負載，都易出現(xiàn)過電流，動態(tài)響應較慢，有較大的諧波分量：電流型變頻器由于電流控制性好、可限制逆變裝置換流失敗或負載短路所引起的過電流，其運行可靠性高，當負載為電動機時，電壓近似正弦波．還能實現(xiàn)發(fā)電制動，把機械能變?yōu)殡娔芑仞侂娋W(wǎng)，線路結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應快。通過分析比較，我們選擇了A-B1557型電流型高壓變頻器，它能保證電網(wǎng)電壓在5.9～6.8kV范圍變化時正常工作，電流諧波畸變頻≤3％，cos@≥0.98，n≥97％，變頻器能與大型PLC接口實現(xiàn)燒結(jié)工藝閉控制。
通過實際運行，總結(jié)出該系統(tǒng)具有如下特點：
1）A-B公司的電流型1557高壓變頻器，運用于燒結(jié)主風機調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速范圍大，運行平衡，具有良好的控制精度。
2）同步起動電流小、沒有任何電氣與機械的沖擊。
3）勵磁電流自動跟蹤負載與轉(zhuǎn)速變化，系統(tǒng)運行點優(yōu)化。
4）自動化通信能力強，便于上網(wǎng)控制。
5）系統(tǒng)調(diào)試方便，運行可靠，電動機噪聲低，發(fā)熱量降低30％以上。
6）節(jié)電效果十分明顯。
4運行效果分析
1）從主風機變頻器投入后的情況看，用變頻調(diào)速與接工頻運行情況不一樣。應用變頻調(diào)速之前，電動機轉(zhuǎn)速為1500r/min，風門不能開完，否則電動機將過載。一般正常生產(chǎn)時，風門開度在80％～90％之間，因此相當部分電能消耗在風門上。2000kW電動機經(jīng)常運行在滿載狀態(tài)，同時由于我們的網(wǎng)路電壓偏高（一般在6.3～6.7kV），電動機工作磁通接近飽和區(qū)，激磁損失增加工作電流上升。按運行記錄，變頻器投入后，電動機只需運行在42Hz就能滿足生產(chǎn)要求，生產(chǎn)典型參數(shù)。
電動機在正常運行情況下，年節(jié)電為
685.9kW×24h×360d×0.904=5357263kW.hm904為其他因素系數(shù)）電費按0.46元/kW.h，可節(jié)支246萬元/年。
2）由于變頻器系統(tǒng)起動性能非常理想，使大電動機的開停可隨心所欲。一些短暫的停產(chǎn)，都可將風機停下，節(jié)約了這部分電耗，還減少了機械和電動機的損耗，此項每年又可節(jié)支約20萬元。
3）從工藝角度看，變頻調(diào)速后，風機負壓從原來的14kPa降到了10kPa左右，正好滿足了燒結(jié)生產(chǎn)的低負壓要求；同時，由于風門全打開，減少了風門損失，這部分能量在電動機不更換的情況下，相對地能使風量有所增加。另外，由于變頻調(diào)速能方便地與工藝參考量聯(lián)系起來調(diào)控，為均質(zhì)燒結(jié)技術(shù)和提高燒結(jié)礦的生產(chǎn)質(zhì)量創(chuàng)造了更有利的條件，這方面的效益也是非常顯著的。
5結(jié)論
根據(jù)格鋼燒結(jié)廠主引風機2000kW同步電動機使用美國A-B公司1557電壓變頻調(diào)速控制應用結(jié)果看，系統(tǒng)設計合理，安裝、調(diào)試方便，運行十分可靠，節(jié)能效果明顯．對生產(chǎn)工藝有良好的促進作用，是一個成功的范例。
1燒結(jié)主風機應用變頻調(diào)速的重要性
我國鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)廠都廣泛存在著生產(chǎn)原料及工況變化的情況，為適應生產(chǎn)，目前只有改變主引風機的風門開度來滿足燒結(jié)生產(chǎn)過程的需要，這在過去幾乎成了一種統(tǒng)一的模式，存在著很多弊端。其一，這根本無法隨時動態(tài)跟蹤工藝進行風量調(diào)節(jié)以滿足最佳工藝的要求；其二，據(jù)我們考察寶鋼、首鋼等燒結(jié)廠的主引風機，一般風門開度都在40％～60％之間，電能的損失和浪費很大：其三，風機起動困難，起動過程故障率高，對電網(wǎng)影響大等。為克服這些弊端，我們想到應用變頻調(diào)速技術(shù)。
根據(jù)我們廠的生產(chǎn)經(jīng)驗，燒結(jié)生產(chǎn)過程中，對風量的要求，有一個動態(tài)平衡的過程，各項技術(shù)經(jīng)濟指標越先進，對平衡的要求就越高。因此，我們萌發(fā)了主引風機變頻調(diào)速改造的設想，利用良好的現(xiàn)代化跟蹤手段，實現(xiàn)配料大小循環(huán)，三機聯(lián)調(diào)，把點火溫度及主燒結(jié)負壓，一同進入大閉環(huán)控制。這些設想的實現(xiàn)，最重要而且最困難的就是主引風機的調(diào)速問題，隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，用高壓變頻器來實現(xiàn)上述連續(xù)、精確的調(diào)控，條件已經(jīng)成熟。
實現(xiàn)主引風機變頻控制，就能合理地、隨時、動態(tài)地調(diào)節(jié)風的負壓和流量，使風量和風壓相對恒定，為均質(zhì)燒結(jié)生產(chǎn)提供了有利條什。反之，沒有良好的調(diào)節(jié)方法、燒結(jié)氣流靠人工進行調(diào)節(jié)，根本無法合理應用，這樣就有可能出現(xiàn)大量生料，成品率和工序能耗等指標都難以達到良好的指標。主引風機采刷變頻調(diào)速后，原來風門控制的風量變成由轉(zhuǎn)速來控制，從輸出功率P與風機轉(zhuǎn)速關(guān)系p=KW3（其中K為風機常數(shù)，W為電動機旋轉(zhuǎn)角頻率）可知，風量須減少時轉(zhuǎn)速下降，P隨轉(zhuǎn)速立方倍下降，克服了以前調(diào)節(jié)風門功率損耗大的問題。另外電動機起動由原來全壓或降壓起動，變成變頻起動后，起動性能大大改善，大電動機起動困難、沖擊大、易損傷等問題便迎刃而解了。
2燒結(jié)大風機應用變頻調(diào)速的可行性
目前，許多小功率的風機應用變頻調(diào)速、效益已得到證實，但在國內(nèi)，尚無燒結(jié)主引風機應用變頻調(diào)的先例，燒結(jié)風機能否應用變頻調(diào)速呢?目前，大型異步電動機變頻調(diào)速也屢見不鮮，而大型同步機應用變頻調(diào)速在國內(nèi)還未有先例，同步電動機應用變頻調(diào)速究竟如何?同軸主油泵在實現(xiàn)風機調(diào)速后，如何補充油量?這些問題，都是應用變頻調(diào)速前要解決的。
1）為了證實燒結(jié)風機應用變頻調(diào)速的可行性，我們在燒結(jié)杯試驗中進行了變頻調(diào)速試驗，得到了一組令人滿意的數(shù)據(jù)如表l所示。
從試驗數(shù)據(jù)可見，未裝變頻前，風門開度從0～90風量基本不變，風壓從3.24～20.77kPa變化，整個試驗過程，電流保持3.4A大致不變；裝變頻器后，風門全開，600mm料層時，測得風量從9800～20000m3/h時，負壓從3.04～19.65kPa，電流從06～2．6A，節(jié)電效果十分明顯。2001年1月，在羅克韋爾自動化和廣西南寧怡得發(fā)展公司格州分公司（柳州市怡得安豪科技發(fā)展有限公司）的協(xié)助下，我們正式將A-B高壓變頻器用在2000kW同步電動機上，進一步驗證了燒結(jié)主風機應用變頻調(diào)速的實際效果。
在正常生產(chǎn)情況下．負壓下降了近4kPa，功率節(jié)約了近600kW，對生產(chǎn)工藝和節(jié)電產(chǎn)生了重要作用。
試驗和實踐均充分證明，燒結(jié)主風機應用變頻調(diào)速足完全可行，而且是非常成功的。
2）大型同步電動機應用變頻調(diào)速是否可行?通過我們的實踐。得到了充分的肯定。同步機應用變頻調(diào)速后，拋棄了原來的異步起動的方法，由A-B高壓變頻系統(tǒng)配套，采用同步起動方法，隨著電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化，自動調(diào)節(jié)運行參數(shù)，整個過程十分平穩(wěn)，對電網(wǎng)沖擊力。A-B高壓變頻器可做到同步機定、轉(zhuǎn)子電流及功率因數(shù)等各參數(shù)最佳匹配，從而使運行效果達到最佳。
3）主引風機系統(tǒng)潤滑在直動前由副油泵負責．起動完畢后，是由與同步機同軸的主油泵供油的。這樣，在風機變頻調(diào)速后，主油泵可能運行在低速狀態(tài)，所以，供油系統(tǒng)就必須考慮油量的補充問題：怡得公司在完成這個工作時，采用了付油泵變頻PID調(diào)節(jié)方式，用較少的投資，保證了主風機低速時，潤滑系統(tǒng)的正常供油。這也對主風機變頻調(diào)速的實施起到了重要的保證作用。
4）由于同步電動機的冷卻是自循環(huán)風冷，當電動機轉(zhuǎn)速下降時，冷卻效果也會下降，但由于風機的特性所致，低速時電動機負載成立方倍下降，所以發(fā)熱量也大大減少，實踐證明，電動機低速運轉(zhuǎn)時，溫度反而下降了。
3具體方案的選擇及設計框圖
大功率、高電壓的變頻器，在國內(nèi)使用尚不普遍，因此，進行這樣大的投資，必須認真地選擇合理的方案。中高壓變頻器，目前從主電路的結(jié)構(gòu)型式可分為交-直-交和交-交兩種。交一交型變頻器由于控制方式?jīng)Q定了其輸出頻率只能達到l/3～182原頻率，故不能滿足我們的要求，而交-直-交型變頻器不受電源頻率的限制，頻率調(diào)節(jié)范圍寬，且元件少，利用率等能滿足我們的需要。交一直一交變頻器由于直流部分不同，又可人為電壓型和電流型。電壓型變頻器的輸出電壓為方波，當負載出現(xiàn)短路時或在變頻器運行時投入負載，都易出現(xiàn)過電流，動態(tài)響應較慢，有較大的諧波分量：電流型變頻器由于電流控制性好、可限制逆變裝置換流失敗或負載短路所引起的過電流，其運行可靠性高，當負載為電動機時，電壓近似正弦波．還能實現(xiàn)發(fā)電制動，把機械能變?yōu)殡娔芑仞侂娋W(wǎng)，線路結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應快。通過分析比較，我們選擇了A-B1557型電流型高壓變頻器，它能保證電網(wǎng)電壓在5.9～6.8kV范圍變化時正常工作，電流諧波畸變頻≤3％，cos@≥0.98，n≥97％，變頻器能與大型PLC接口實現(xiàn)燒結(jié)工藝閉控制。
通過實際運行，總結(jié)出該系統(tǒng)具有如下特點：
1）A-B公司的電流型1557高壓變頻器，運用于燒結(jié)主風機調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速范圍大，運行平衡，具有良好的控制精度。
2）同步起動電流小、沒有任何電氣與機械的沖擊。
3）勵磁電流自動跟蹤負載與轉(zhuǎn)速變化，系統(tǒng)運行點優(yōu)化。
4）自動化通信能力強，便于上網(wǎng)控制。
5）系統(tǒng)調(diào)試方便，運行可靠，電動機噪聲低，發(fā)熱量降低30％以上。
6）節(jié)電效果十分明顯。
4運行效果分析
1）從主風機變頻器投入后的情況看，用變頻調(diào)速與接工頻運行情況不一樣。應用變頻調(diào)速之前，電動機轉(zhuǎn)速為1500r/min，風門不能開完，否則電動機將過載。一般正常生產(chǎn)時，風門開度在80％～90％之間，因此相當部分電能消耗在風門上。2000kW電動機經(jīng)常運行在滿載狀態(tài)，同時由于我們的網(wǎng)路電壓偏高（一般在6.3～6.7kV），電動機工作磁通接近飽和區(qū)，激磁損失增加工作電流上升。按運行記錄，變頻器投入后，電動機只需運行在42Hz就能滿足生產(chǎn)要求，生產(chǎn)典型參數(shù)。
電動機在正常運行情況下，年節(jié)電為
685.9kW×24h×360d×0.904=5357263kW.hm904為其他因素系數(shù)）電費按0.46元/kW.h，可節(jié)支246萬元/年。
2）由于變頻器系統(tǒng)起動性能非常理想，使大電動機的開停可隨心所欲。一些短暫的停產(chǎn)，都可將風機停下，節(jié)約了這部分電耗，還減少了機械和電動機的損耗，此項每年又可節(jié)支約20萬元。
3）從工藝角度看，變頻調(diào)速后，風機負壓從原來的14kPa降到了10kPa左右，正好滿足了燒結(jié)生產(chǎn)的低負壓要求；同時，由于風門全打開，減少了風門損失，這部分能量在電動機不更換的情況下，相對地能使風量有所增加。另外，由于變頻調(diào)速能方便地與工藝參考量聯(lián)系起來調(diào)控，為均質(zhì)燒結(jié)技術(shù)和提高燒結(jié)礦的生產(chǎn)質(zhì)量創(chuàng)造了更有利的條件，這方面的效益也是非常顯著的。
5結(jié)論
根據(jù)格鋼燒結(jié)廠主引風機2000kW同步電動機使用美國A-B公司1557電壓變頻調(diào)速控制應用結(jié)果看，系統(tǒng)設計合理，安裝、調(diào)試方便，運行十分可靠，節(jié)能效果明顯．對生產(chǎn)工藝有良好的促進作用，是一個成功的范例。
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