以太钢660m2烧结机和涟钢280m2烧结机为案例,讨论了烧结主抽风机变频调速节能的原理及效果。分析表明:主抽风机变频节能的效果受风机设计裕量、风门开度、变频装置的效率、生产负荷、风道系统阻力、设备磨损状况等诸多因素影响,但即使如此,其节电量也是很可观的,特别是在低负荷时尤为显著。
1、概述
烧结主抽风机的电能消耗约占整个烧结厂电能消耗的一半左右,目前烧结主抽风机最常用的风量调节方式是通过调节风门开度来调节,以满足生产要求。这种调节方式简单易行,成熟可靠,但它是以增加管网损耗,耗费大量能源为代价的,是一种浪费能源的高能耗低效率风量调节方式。如果使用变频器对风机进行变速调节来控制烧结风量,就可以将风门尽可能地打开,从而节约电能,降低生产成本。
2、调速节能的基本原理
离心式风机工作原理:当叶轮随轴旋转时,叶片间的气体也随叶轮旋转而获得离心力,并从叶片之间的出口处甩出。被甩出的气体进入机壳,于是机壳内的气体压强增高,最后被导向出口排出。排出的高速气流具有一定的风压。在固定转速下,离心风机的风压-风量特性曲线从理论上讲是线性的,但由于风机存在风力损失、容积损失、机械损失等,实际的压力与流量特性曲线会随流量增大而平缓下降,对应的离心风机的效率-流量曲线随流量的增大而上升,η曲线的最高点即效率最大,其位置应该与设计风量相对应。当风机以恒速运行时,风机的工况点将沿压力-流量特性曲线移动。风机运行时的工况点不仅取决于本身的性能,而且取决于系统的特性,当管网阻力增大时,管路性能曲线将变陡。风机调节的基本原理就是要通过外加条件来改变风机本身的性能曲线或改变外部管网特性曲线,以得到所需的最佳工况。对于离心式风机来说,风量Q与转速n成正比,可写作:
显然,采用转速调节时,当要求风量Q由1减为1/2时,只需使转速由1降为1/2即可,而轴功率则由1减少为(1/2)3=1/8,也就是节约了7/8的电功率,效果非常显著。如果采用传统的调节方式,通过风门开度来调节风量,当Q由1减为1/2时,风压H变化不大,多数略有上升。另外,随风量Q降低,风机的效率η也降低(见图1),由式(4)可知,功率P降低不明显,同风量的减少不成比例。此时,功率P中的大部分被用来克服管道阻力而白白浪费了。
由风机的特性曲线可以更进一步说明问题。图1中曲线H为风机的风压特性,η为风机效率,R为管道的风阻特性(即挡板在某一开度下管道的通风阻力与风量的关系),H与R的交点A即为风机运行的工作点。此时,风机的压力与管道的通风阻力大小相等方向相反,处于稳定运转状态。曲线R与挡板的开度有关,随开度减小,R曲线变得陡峭(如图2)。曲线H的位置则与转速有关,随转速降低,H曲线下移(如图3)。
从图4可见,控制挡板开度使风量减少50%时,风阻曲线R变为R50,曲线H不变为额定转速,所需功率可用0Q50A1H1的面积来表示。而采用转速调节使风量减为50%时,风机的风压特性曲线H变为H50,曲线R不变,仍为挡板全开功率,可用0Q50A2H2的面积表示。显然,阴影面积就代表二者之差,即可以节约的功率值。
由以上分析可知,通过改变风机的电机转速来改变风量的调节方式是提高风机运行效率,降低风机耗电量的有效途径,并且转差越大,节能越显著。
3、应用案例及分析
3.1案例1
山西太钢不锈钢股份有限公司(以下简称太钢)于2010年4月投产1台660m2烧结机(台车底宽5.0m,上口宽5.5m,机长120m),烧结机利用系数1.3t/(m2˙h)(设备能力按1.45t/(m2˙h)配套),年产烧结矿699万t,主机年工作339.5天(工作小时数8148h,即台时产量858t/h)。主抽风系统选用SJ30000烧结主抽风机2台,风量30000m3/min,进口负压
17500Pa。每台主抽风机均由一台同步电动机拖动,主抽风机电动机为10kV、10760kW同步电动机,额定电流634A。采用了两台西门子罗宾康-IGBT型11000kVA变频装置。太钢660m2烧结机主抽工频运行与主抽变频运行时的参数如表1所示。
表1可见:在生产负荷～80%的情况下,风机工频定速运行时,靠风门调节风量,存在大量的能量损失;而采用变频调速运行后,风机电机本体节能为40%,吨矿电耗也由26.6kWh/t降到16kWh/t,节能效果显著。分析太钢节能的情况,目前太钢产能尚未完全释放,其台时产量为650～700t/h,只达额定产量的80%;而风机系统能力是按额定产量×安全系数(例如1.3)配置的,所以在这种较低负荷生产条件下,节能效率比额定产量下要好很多。如果烧结机达到额定产量,主抽变频将能把设计富裕量吃回来一部分。再者,太钢660m2烧结机2010年年初刚投产,设备磨损还很小,烧结机漏风率也不大,实际抽风的有效风量较高,这也是其能耗低的一小部分原因。根据太钢现场反馈的信息,全年平均节省电量30%。按每年运行330天,电费为0.5元/kWh计算,其节能效益(按平均30%节能率计算)为:
18670×30%×24×330×0.5元=2218万元
3.2 案例2
涟源钢铁集团公司(以下简称涟钢)280m2烧结工程于2005年投产,烧结机利用系数1.35t/(m2˙h),年产烧结矿300万t,主机年工作330天(工作小时数7920h,即台时产量3788t/h)。台车上料层总厚约为650mm(包括20～40mm铺底料)。主抽风机为两台SJ13500烧结抽风机,进口负压16500Pa,风量13500m3/min(工况)。每台主抽风机均由一台同步电动机拖动,电机额定电压等级10kV、额定功率5000kW,额定电流331A。原生产方式为水电阻降压,工频定速运行。2010年,涟钢对主抽风系统进行了变频技术改造,采用荣信变频RHVC-6300-10.6300kVA变频装置2套,并于2011年4月投入运行。该烧结机主抽工频运行与主抽变频运行参数如表2所示。
分析涟钢节能情况:由表2可见,风机变频运行在接近满负荷情况下,风门未全开,此时节电率约为13.4%。由此可见,在这种高负荷生产条件下,节能效率相比低负荷生产时要差一些。再者,该烧结机已投产运行7年,设备磨损、烧结机漏风率都有增加,这势必要增大主抽风量,也是能耗增加的原因之一。根据涟钢现场反馈的信息,平均节省电量为11%,按每年运行330天,电费为0.5元/kWh计算,其节能效益(按平均11%节能率计算)为:
10387×11%×24×330×0.5元=452万元
3.3分析
上述两个案例都是采用变频调速来调节风机风量,目前电动机变频调速是所有电动机调速方法中应用最广、性能最好、效率最高的一种。由电机转速的表达式n=60f/p(f供电频率、p电动机的极对数),可以看出转速基本上正比于电源电压的频率,因而调速范围宽,平滑性较大,不会改变电机固有的机械特性。而且,变频调速时转差功率不随转速而变化,无论高速还是低速,其转差功率消耗保持不变,因此效率也最高。但变频器本身并不节能,反而是个功耗元件,对于几十千瓦以下的小型变频器,一般满载时的消耗约占变频器容量的3%～4%;而对于上百千瓦的变频器,好的品牌可做到2%。所以,若风机能力和产量完全吻合,增加变频器是耗能的。然而实际生产中,大部分风机运行效率并不高。这是因为设计过程中很难准确地计算出管网阻力,并考虑到长期生产过程中可能发生的各种问题(如系统漏风、设备磨损等),通常是把系统的最大风量和风压裕度作为选择风机型号的设计值。但风机的型号是成系列的,而且是有限的,很难选到恰好与运行工况相匹配的风机型号,故往往只能往大机上靠。这样一来,风机的风量和风压裕度达到20%～30%就不足为奇了。这种设计裕量在烧结生产中的表现就是正常生产时风门经常处于半开状态(例如开到75°),造成很大的电能浪费。
在案例1中我们可以看到,在烧结生产负荷为～80%时,其风门全开,完全依靠变频调速来调节风量,把风机的设计裕量很好的发挥出来,使其运行在高效点上,节能效果显著。
但在某些生产情况下,为保证一定的出口压力,风门不能全开。从图3、图4可知,风机的出口流量通过阀门调节时,阀门开度越小,其出口压力越大,流量越小;通过变频调节时转速越低,流量越小,压力则更低,所以调速范围受到出口压力的限制,也会影响节能效果,如案例2。
通过案例分析我们可以看到,烧结主抽风机变频调速的节能效果受多种因素影响,包括:风机的设计裕量、风门开度、变频装置的效率、生产负荷情况、风道系统的阻力大小、设备磨损等等。但即使这样,其节电量也是很可观的,特别是在低负荷时尤为显著。
4、结束语
案例分析表明,风机的设计裕度就是变频调速控制的节能空间。在这个空间下,通过变频调速方式改变风机电机的转速来改变风量,是提高风机运行效率,降低风机耗电量的有效途径。
现在高压变频器已经成熟,烧结主抽风机采用变频调节风量将成为今后的发展方向。对于生产系统来说:①采用在线变频运行方式,可根据烧结料层的透气性及料层厚度进行变频调速,使风机运行在最佳工况点,起到节能的作用。②在减产运行和临时停机、临时检修以及其它等不需要关停主抽风机的情况下,可调速至最小功率,其经济价值也是十分显著的。③改善了电动机的起动性能,可实现软起动,延长电动机的寿命,且能减小对电网的冲击。虽然,目前高压交流变频调速装置的一次性投资较大,但它所带来的回报也很大,且是长期的。而随着国产变频器的迅速发展,其性价比将大大提高,为烧结厂主抽风机变频调速节能技术改造提供了更为广阔的前景。
