產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在氧化鋁焙燒爐除塵風機中的應用
1前言
廣西信發鋁電有限公司一期工程建有4條40萬噸的氧化鋁生產線，當焙燒爐進行生產時，高溫的AL(OH)3會同空氣發生劇烈的化學反應，產生大量的煙氣。一方面對現場操作的工人不利，另一方面也對環境造成了巨大的污染。根據國家環保法需對煙氣進行處理，每條生產線都配有一套煙氣凈化除塵系統。焙燒爐根據氧化鋁產量的大小，煙氣凈化風量隨時變化，因此該除塵風機需要多種速度來適應，以達到較佳除塵效果。在以前的運行過程中，液力耦合器不能適應頻繁的調速，需要風量大小靠風門調節，大量能量消耗在風門上。1#～4#焙燒爐除塵電動機和風機之間都配有液力耦合器調速，液力耦合器每年花費潤滑油5萬元，每年需維護費用近10萬元，且其運行效率低，故障率較高，一旦發生故障時，需停產進行維護。為了提高焙燒爐除塵風機的運行效率，保證生產的正常進行，很有必要對除塵風機調速控制進行改進。
近幾年隨著國內高壓變頻技術的進步，變頻器的性價比和穩定性有很大幅度的提升，經過考察，我廠選擇了山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38系列高壓變頻器2套（1120kW/10kW）對2#、4#焙燒爐除塵ID風機進行調速控制。整體項目為交鑰匙工程，于2011年6月份安裝調試完畢投入運行，至今已穩定運行，給我廠帶來了巨大的效益。
2 焙燒爐除塵工藝及設備參數介紹
2.1 除塵工藝流程
氧化鋁焙燒爐將燃燒完AL(OH)3以后，絕大部分AL2O3下沉到氧化鋁冷卻倉，但是燃燒后的煙氣中含有部分有用的AL2O3、其他煙氣和粉塵，這部分煙氣經除塵ID風機引導進入電收塵中，電收塵將有用的AL2O3吸附住，經處理后的煙氣隨之排到大氣中。生產量大時，除塵ID風機抽風量大，除塵風機轉速高。生產量小時，用氣量小，除塵風機轉速低。未用變頻前風量大小靠液力耦合器和風門配合調節。除塵ID風機生產流程示意圖如圖1所示。
圖1 除塵ID風機生產流程示意圖
2.2 除塵風機設備參數
現場2#、4#焙燒爐除塵ID風機型號相同，以4#焙燒爐除塵ID風機為例介紹其參數。
2.3 工藝要求
焙燒爐現場生產要求根據下料量大小情況除塵風機給出相應配合，才能保證除塵效果：
（1）下料量每小時60t～69t，電收塵內維持風壓為-6700Pa～-7000Pa。
（2）下料量每小時70t～79t，電收塵內維持風壓為-7000Pa～-7400Pa。
（3）下料量每小時80t～90t，電收塵內維持風壓為-7400Pa～-7700Pa。
（4）下料量每小時90t以上，電收塵內維持風壓為-7700Pa～-8600Pa。
3 風光JD-BP38系列高壓變頻系統技術特點
山東新風光是國家高新技術企業，生產的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
3.1JD-BP38-1120F高壓變頻器技術指標
JD-BP38-1120F高壓變頻器技術指標如表4所示。
3.2 JD-BP38-1120F高壓變頻器技術性能
具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
(2)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
(3)完整的工頻/變頻自動互切技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
(4)旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
(5)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
(6)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
(7)單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍。
(8) 具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。
(9) 限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數。
(10) 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續運行。
4改造系統方案介紹
由于目前設備使用液力耦合器，考慮到風機運行的穩定性，因此拆除液力耦合器，將電機向前移位采用直接連接方式，重新制作鋼底座作為電機基礎。
高壓變頻器設備安裝在風機值班室內，原高壓柜至電機的高壓電纜用做改造時高壓柜至變頻器進線電纜，變頻器至電機高壓電纜重新敷設，同時敷設現場PLC柜至變頻器控制柜的控制電纜用于變頻器的遠程控制，采集現場設備狀態信號，實現設備的自動調節及信號反饋。此外還需敷設一根高壓柜至變頻器的控制電纜，用于高壓柜合閘允許和高壓柜緊急分閘控制。
由于高壓變頻器對環境溫度要求比較高，為了防止因溫高而引起變頻器的保護停機，我廠采用以下措施來防止室溫過高：2#焙燒爐除塵ID風機高壓變頻器采用2臺10匹空調用于制冷降溫，4#焙燒爐除塵ID風機高壓變頻器采用4臺5匹空調用于制冷降溫。
2#、4#除塵ID風機改造系統采用一拖一自動旁路轉工頻控制，系統由一次回路進線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現故障，而不能排除故障時，將電機自動投入到工頻運行，確保生產不受影響。
變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。自動旁路柜接線如圖2所示：
圖2 自動旁路柜
圖2旁路柜在變頻器進、出線端增加了兩個隔離刀閘，以便在變頻器退出后而電機運行于旁路時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作。
旁路柜主要配置：三個真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個刀閘隔離開關K1、K2。KM2與KM3實現電氣互鎖，當KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電機變頻運行；當KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機工頻運行。另外，KM1閉合時，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
電機工頻運行時，若需對變頻器進行故障處理或維護，切記在KM1、KM2分閘狀態下，將隔離刀閘K1和K2斷開。
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分斷變頻器輸入電源。
旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號并聯于KM3合閘回路。變頻運行狀態下，若變頻器出現故障且自動投入允許，或者需要將電機從變頻投入到工頻狀態運行（按下“工頻投切”按鈕），系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關、真空接觸器KM1和KM2，經過一定延時后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開關KM3合閘，電機投入電網工頻運行。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
5 焙燒爐變頻節能情況
5.1變頻節能分析
2#、4#焙燒爐除塵ID風機高壓變頻器一次正式投入運行，至今運行正常。變頻運行后，風門全部打開，根據氧化鋁生產下料量的大小，隨時調節風機的風量大小，滿足生產電收塵的負壓要求，而且現場人員操作非常方便。
2011年6月廠節能服務中心隨機對2#焙燒爐不同下料量的情況下，對除塵ID風機高壓變頻器進行了測試，記錄數據如表5所示。
通過以上變頻運行數據，與原氧化鋁下料量基本相同的工頻運行數據相比，電機電流、消耗功率大大減小，節能效果是非常明顯的。
為了進一步測試節能效果，分別統計2#、4#焙燒爐在不同下料量的情況下，除塵ID風機的耗電量，統計數據如表6、表7、表8所示。
綜合統計分析，氧化鋁焙燒爐除塵風機上安裝高壓變頻器后較以前工頻液力耦合器調速，平均生產1噸氧化鋁除塵系統可節約電量約為3.77kW·h/t，按生產線年產量40萬噸計算，每臺高壓變頻器年節電150.7萬kW·h。
5.2改造其他效益
(1)運行穩定，安全可靠。原來使用液力耦合器大概2～3個月左右就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來的巨大的經濟損失。JD-BP38系列高壓變頻器具有免維護的特點，只需定期除塵，不用停機，保證了生產的連續性。
(2) 電動機實現了真正的軟啟動、軟停止。避免了啟動時對設備的電氣和機械沖擊，使風機啟動平穩。
(3) 運行工況改善，工人勞動強度降低。
隨著氧化鋁焙燒爐生產除塵的需要，調節風機的轉速，進而調節風機風量，滿足除塵生產工藝的需要，現場工作環境大為改善，工作強度大大降低。
(4)延長了電機、風機的使用壽命，提高了風機的利用效率。原除塵風機在運行過程中，維護工作量大，檢修費用高，采用變頻技術調速后，減少了機械磨損，保證了風機的正常運行。
(5)調速范圍寬，調速精度高。
除塵風機的風量經常需要根據工藝的需要變化，在過去液力耦合器調節時，出現執行機構的開度與流量的非線形問題，致使調節失誤，采用變頻拖動風機可以在0～50Hz范圍內任意調速，調速精度高，可保持在0.1～0.01Hz范圍內工作，便于實現除塵系統自動化控制。
(6)變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與原來舊系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
6 結束語
綜合看來，2#、4#氧化鋁焙燒爐除塵風機采用高壓變頻器進行改造，大大提高廣西信發鋁電有限公司氧化鋁焙燒爐除塵風機的使用效率，降低氧化鋁的生產成本，保證焙燒爐除塵風機的安全運行起著重要的作用。
