国产高压变频器在冶金企业风机系统中的应用

王秀阁，张增军，段栋斌

（山东石横特钢有限公司，山东 泰安 271612）

山东石横特钢有限公司1080m3高炉风机系统电机功率为2 200kW，为引风机，风量调节为入口挡板调节方式；机组运行中，引风机的入口挡板开度最大不到75%。这样的调节方法节流损失大，浪费电能。同时，电机启动时的冲击电流对电机造成损害。为此采用变频调节方式对风机系统进行改造。

一、风机高压变频调速系统构成

1.高压变频调速系统的构成

HARSVERT-A10/220（适配2 200kW/10kV电机） 高压变频器(2 200kW)1台、系统旁路开关柜1台，采用“一拖一”变频控制方式。HARSVERT-A06/220变频器参数见表1。

表1

2.风机调速系统特点

风机调速是由操作人员通过PLC系统的监控画面，参照温度、负压等参数，通过PLC的PID调节，自动调节电机的转速，达到调节用量的目的。监控系统主要由工控机和PLC控制系统组成（图1)。工控机作为监控中心，将变频器所有的运行数据和参数利用TCP/IP通信，在人机界面上进行实时显示；工控机也可下达指令来控制变频器的启动、停止、频率给定等。

在此基础上，经过一段时间的积累，可将不同负荷和温度下的给定值绘制成曲线，定出安全的上下限，制成风机调速专用算法，将采集的负荷、温度参数及负压的变化值送到PLC系统中进行控制运算，将计算结果形成4～20mA的速度给定指令信号，反馈给变频器，通过比较转速输出量与PLC速度给定之间的大小，自动调节电机的转速，实现风机的转速自动控制，如图2所示。

二、风机系统变频调速节能分析

1.风机变频调速的节能原理

采用变频调速，按电机需要升降转速，改变风机性能曲线，使风机参数满足工艺要求，根据风机相似定律，变速前后风量、风压、功率与转速之间的关系工作特性如图3所示。

在第一种负载工况下，负载工作在A点，流量为Q1，压力为H1。若负载仍然按n1速度定速运行，用挡板将流量调节为Q2时，压力将上升到H3，负载工作点移到B点。由于挡板的截流作用，管网阻力曲线由③变为④。在A、B两点，负载功率分别为PA=H1×Q1，PB=H3×Q2，实际减小的功率有限。

若不采用挡板调节，管网阻力特性保持曲线③不变，改用调节负载速度来减小流量，负载按速度n2运行，工作特性为曲线②，负载工作在C点，流量仍然为Q2，但压力为H2。相比B、C两点，负载减少的轴功率为：ΔP=PB-PC=（H3-H2)×Q2，在风道阻力特性不变的情况下，离心式风机的风量Q、压力H、轴功率P和转速n之间满足如下关系(相似定理)：Q∝n，h∝n2，P∝n3。所以有即通过调速方式改变风量，风量下降一半时，在不考虑效率的情况下，风机轴功率将下降87.5%。当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比额定电流值低，因变频装置内滤波电容产生改善功率因数，为电网节约20%容量。变频调速在风机应用中节能效果显著。

2.高压变频调速节能分析计算

(1)现场工况技术数据

现场工况技术数据见表2。

表2

根据计算公式(1)、(2），可得出工频情况下负载的耗电量为1 690.57万kW·h，设备工频运行功率为2 113kW，设备工频的年耗电费为1 014.34万元。

(3)变频状态下的年耗电量计算

对于风机类负载，变频状态下的计算如下。

式中：P′——风机轴功率；

Q——风机出口流量；

H——风机出、入口压力差；

λ——管网特性系数。

代入风机的额定值，得出其管网特性系数λ。

将风机在不同负载下的λ、压力、流量值分别代入上式，求得P′轴功率。

电动机效率ηd与电动机负荷率β之间的关系如图4所示。

图4 电动机效率与负荷率关系

变频器效率ηb与系统负荷率β之间的关系如图5所示。

综合考虑到电动机效率ηd和变频器实际效率ηb，查图得出电动机效率ηd=0.88；变频器效率ηb=0.95。

式中：P′——风机轴功率。

式中：T——年运行时间；

δ——单负荷运行时间百分比。

根据计算公式(3)、(4)、(5)，可得出变频情况下负载的耗电量为设备变频后运行功率1 795kW，年耗电量1 436.16kW·h，年耗电费861.69万元。

(4)节能计算

变频改造后，可计算出各负载上变频后与工频相比每年的节电量为254.413 5万kW·h，年节电费152.6万元，节电率15.0%，经济效益非常可观。

三、结语

采用高压变频器对高能耗用电设备如风机、泵类等的技术改造，不仅能降低成本，还能使设备乃至机组的安全可靠性提高，减少机组故障带来的经济损失。