對鍋爐引風機進行高壓變頻技術改造的設計

1 概述

中國鋁業(yè)青海分公司第三電解廠工程建設分兩期，現(xiàn)有200 kA預焙陽極電解槽268臺,年產(chǎn)重熔用鋁錠15萬t。電解生產(chǎn)中電解煙氣的處理采用國內(nèi)外大型鋁廠普遍采用的干法煙氣凈化法。電解槽電解反應后產(chǎn)生含有大量HF、SO2、CO2等煙氣的粉塵，在離心鍋爐引風機(以下簡稱排煙機)的負壓作用下，該煙氣經(jīng)過袋濾室下的VRI 反應室進行吸附反應，利用布袋實現(xiàn)煙氣的氣固分離，利用引風機將煙氣排入大煙囪，完成煙氣凈化的工藝。

目前，我分公司第三電解廠電解生產(chǎn)中電解煙氣的處理系統(tǒng)，分別為東、中、西三套電解煙氣凈化系統(tǒng)，共10臺排煙機，每套系統(tǒng)分別處理80、80、108臺電解槽的煙氣，分別設置于電解車間過道的兩側(cè)。

其中配用900 kW 異步電動機的2 臺(西部凈化系統(tǒng))，630 kW 異步電動機的8 臺(中、東部各4 臺)，均為6.0 kV高壓異步電動機。凈化排煙機是電解車間煙氣凈化系統(tǒng)的關鍵設備，是煙氣能否有效凈化和氟鹽能否有效回收的保障。

現(xiàn)有排煙機系統(tǒng)在運行過程中主要存在以下幾方面的問題。

1)設計流量余量過大就西部凈化系統(tǒng)來說，正常運行時系統(tǒng)需要的理論引風量為1 041 004m3/h，實際設計的引風量為1 418 012 m3/h，有377 008 m3/h的風量余量，而現(xiàn)有的控制方式則是不論生產(chǎn)的需求大小，風機都在額定功率(轉(zhuǎn)速)下運轉(zhuǎn)，風量調(diào)節(jié)采用入口多葉式調(diào)節(jié)閥，從而造成大量電能的浪費。

2)啟動電流過大我公司凈化系統(tǒng)排煙機配用的異步電動機均采用繼電保護的直接啟動方式，啟動電流較大，不僅對電網(wǎng)造成巨大沖擊，而且對電機本體結(jié)構(gòu)和風機軸承箱造成一定損壞，同時使電動機電源側(cè)開關損壞時有發(fā)生，有時甚至導致配電回路跳閘，造成整個凈化系統(tǒng)失電，停止運行，嚴重影響了生產(chǎn)的正常運行。

3)保護系統(tǒng)簡單只有過流保護器對設備進行過流保護，設備運行的安全性和可靠性較低。

4)系統(tǒng)無法保證恒壓系統(tǒng)運行當中，由于排煙機轉(zhuǎn)速無法調(diào)整，系統(tǒng)的壓力將無法調(diào)節(jié)，相關參數(shù)無法進行有效控制，對凈化系統(tǒng)的凈化效率有很大影響。

2 技術改造方案設計

2.1 變頻器拖動方式的選擇

根據(jù)我廠實際工況，經(jīng)研究、討論確定變頻器拖動方式如下：西部凈化系統(tǒng)配用電動機900 kW 排煙機，變頻器控制方式采用“一拖一”的控制模式，共需2臺變頻器;東、中部凈化系統(tǒng)配用電動機630 kW排煙機，變頻器控制方式采用“一拖二”的控制模式，2 臺排煙機用1 臺變頻器實現(xiàn)運行的調(diào)節(jié)和控制，2臺排煙機均可以由變頻運行自由切換至工頻運行，共需4臺變頻器。如果在進行排煙機變頻器切換時，先停后啟，用高壓開關進行變頻器轉(zhuǎn)換，即可實現(xiàn)在一套系統(tǒng)中的2臺排煙機由1臺變頻器來控制。

2.2 控制及監(jiān)控方式設計

東、中、西部排煙機各用一臺PLC 實現(xiàn)集中控制。風機的控制設現(xiàn)場、主控制室兩地控制，原有排煙機的就地啟?？刂评^續(xù)保留。東、中、西部煙氣凈化系統(tǒng)控制柜、PLC 安裝在現(xiàn)場。10臺排煙機的控制變頻器及相關部件就近安裝于單獨的控制室內(nèi)。工控機(3臺)安裝在煙氣凈化系統(tǒng)主控室，利用組態(tài)軟件和Profibus-DP 通訊網(wǎng)絡實時監(jiān)控各風機工作狀況，顯示分現(xiàn)場和控制室兩地顯示。監(jiān)控功能實現(xiàn)風機的出口風壓、風機和電機軸承溫度及振動、電機電流的檢測?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)工藝實際需要調(diào)節(jié)排煙機的運行狀態(tài)，并且控制系統(tǒng)能對排煙機的所有運行參數(shù)進行遠程監(jiān)控，當排煙機出現(xiàn)異常時，能立即停止排煙機的運行，并進行報警?？刂葡到y(tǒng)能實現(xiàn)兩地控制(遠程控制和現(xiàn)場控制)?？刂平缑婵梢赃M行變頻器的功能設定、運行和監(jiān)控參數(shù)設定及顯示、實時波形顯示、運行記錄打印、故障查詢;通過控制界面可以對變頻器直接進行軟啟動、設定運行頻率、停機、急停和復位等操作。變頻器運行方式可設定開環(huán)或閉環(huán)運轉(zhuǎn)方式。控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.3 對變頻器的技術要求

1)高- 高電壓源型變頻器，直接6 kV 輸入，直接6 kV 輸出，無需任何輸出變壓器或濾波器，適配于普通高壓電動機，對電機、電纜絕緣無損害。

2)功率單元需經(jīng)24 h高溫老化、150%負載試驗，要求可靠性高。

3)中文Windows 操作界面，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面要友好和完善，系統(tǒng)包括上位機(商用PC機)、下位機(工控機)、單片機。其中單片機給用戶提供一個4 位LED 數(shù)碼顯示屏和一個12鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進行全部操作，包括參數(shù)設置和各種運行指令。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺，包括參數(shù)設定、功能設定、運行操作、運行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等。上位機(商用PC 機)放在主控室，可對多臺變頻器進行遙測、遙控。

4)可打印輸出運行報表。

3 收益估算

該方案即將實施，我廠對其進行了初步的理論效益估算。

3.1 改造后電機節(jié)省的功率

改造后電機節(jié)省的功率P按式(1)計算。

3.2 投資回報

西部凈化系統(tǒng)排煙機變頻器改造預計總投資為430 萬元，430÷84.9632≈5.06 年，預計5 年后可收回投資。

3.3 其他效益分析

技術改造實施后，亦可帶來下述間接經(jīng)濟效益。

1)改善了工藝，提高了效率?？蓪崿F(xiàn)電解煙氣凈化控制系統(tǒng)自動化，排煙機可以非常平滑穩(wěn)定地調(diào)整風量，運行人員可以自如地調(diào)控，排煙機運行參數(shù)得到改善，使效率得到提高。

2)延長了電動機和風機的使用壽命。采用變頻器控制后，排煙機可以實現(xiàn)軟啟動和軟制動，對排煙機幾乎不產(chǎn)生沖擊，可大大延長機械的使用壽命。

3)減少了閥門機械和風機葉輪的磨損。實現(xiàn)變頻器控制后，閥門機械不需要進行頻繁的調(diào)整，風機轉(zhuǎn)速降低，磨損減少。

4)減少了維護費用和檢修工作量。

4 結(jié)語

工業(yè)用排煙機功率大，能耗高，現(xiàn)有控制方式簡單，無法根據(jù)生產(chǎn)變化對排煙機的運行情況進行相應的調(diào)節(jié)，風機始終在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，風量過剩，能源浪費巨大。而變頻控制異步高壓電機技術比較成熟，性能穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，因此，對工業(yè)排煙機進行變頻技術改造意義重大。