KKK风机变频改造的应用与实践

胡庆保

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

硫酸车间SO2风机是制酸工序的关键设备，现制酸四系列SO2风机(额定功率2050kW)于2011年投入使用，设备在使用中主要存在以下情况：

（1）电机采用直接启动对系统的冲击。该风机采用直接启动方式，启动时对电机及电机相连的机械部分轴与齿轮都会产生剧烈振动，使得电机系统机械磨损加剧，从而导致系统各机械部件及电机使用寿命的降低，而直接启动时的大电流也会使电机系统产生较高温度，进一步加剧系统各机械零部件的磨损，在2013年就因风机轴承箱温度过高而开盖检修。

（2）能耗。由于工艺对风量的要求变动较大，而只能通过调节前导叶来控制风量，造成了一直处在工频运行的电机浪费了大量电能。

2 二氧化硫风机系统运行现状

2.1 工频运行状态

通过现场调查，二氧化硫风机在运行时入口导叶只开了一部分，由于采用导叶调节，大部分能量都被导叶消耗，其开度越小消耗的能量就越多。在一般情况下采用导叶调节的风机其实际消耗功率与风量大致成正比，与导叶的开度也大致成正比［1］。

归纳其具有以下特点：

（1） 风机运行时的风量只是额定风量的一部分，风机远离额定点运行，其实际运行效率很低。

（2）由于导叶的存在，导叶前后存在压差，消耗了部分能量。

（3）因实际所需风量低于额定风量，风机在配备电动机的时候，电动机的功率有。

导叶调节方式虽然简单易行，并已成为习惯，但它是以增加管网消耗、耗费大量能源为代价的。当采用变频调节时，其效率最高，因为风量随转速的一次方下降，而其轴功率随转速的三次方下降，目前最优方案就是采用交流变频调速控制技术［2］。

2.2 风机运行数据

表1 四系列KKK风机运转数据

3 改造方案

3.1 风机变频调速的改造方案

（1）电气改造内容：①由于系统对连续运行安全性能要求较高，为了便于日常维护及故障应急处理，故采用中压变频器外加工频旁路的方案。②利用原电机启动断路器柜作为整个系统的总电源柜，整个系统的综保装置利用原电源柜的综保装置。③增加中压变频器及变频器进、出线断路器柜，柜内不设综保装置。开关柜与变频器一起安装于风机房内，并为其搭建一间变频器配电室。运行时房间封闭，内置空调，采用内循环散热。

（2）DCS 改造内容：DCS具有对新增的开关柜与变频器的监示与控制功能，并增加通讯与输入输出模块。

3.2 节能原理分析

采用变频调速方法节能的原理是基于风量、压力、转速、转矩之间的关系：

式中:Q——风量与转速的1次方成正比；

H——压力与转速的2次方成正比；

P——轴功率与转速的3次方成正比 (粗略计算P=HQ/102) ；

T——转矩；

n——转速。

图1 风机工作特性图

风机的工作介质是气体， 工艺上的应用通常是调节风量， 风机全速运行， 正常工作点为A， 风门关小， 风阻特性曲线由曲线2移至曲线4， 工作点移至B点， 风压为H2， 消耗功率与面积OQ2BH2成正比。调节转速， 风门全开， 转速减少后， 风压特性由曲线 1 移至曲线 3， 工作点移至 C 点 ， 风压为 H3， 消耗功率与面积OQ2CH3成正比。对比以上两者可知，节约功率与面积H3CBH2成正比。可见，节能效果相当可观［3］。

4 变频器的改造设计

4.1 系统主回路

如图2。原系统采用的直接启动及运行方式将被变频器启动及运行方式所取代，考虑到系统对连续运行安全性能要求较高，为了便于日常维护及故障应急处理，采用了中压变频器外加工频旁路的方案。

图2 变频改造主回路

4.2 电气改动

（1）利用原电机启动断路器柜作为旁路断路器柜，旁路柜的主回路接线和综保设定保持不变，启停控制部分需做少量修改。

（2）增加变频器输入断路器柜，安装于现场。

（3）增加变频器出线断路器柜，安装于现场，可于变频器安装在一起。柜内不需要综保装置。

（4）增加中压变频器，采用AB品牌的PF7000系列变频器。

4.3 高压变频器主要特点

单元串联多电平直接高压变频器主要有以下特点：

（1）一体化设计，安装调试简单；

（2）无须更改原有电机，可实现工频切换；

（3）不需另加升压变压器、输人滤波器、输出滤波器，电抗器、功率因数补偿装置和缓冲电路等附加电路;

（4）谐波污染极小，对周围设备无电磁干扰;（5）功率因数高、效率高;

（6）各类保护完善，操作简单，运行稳定可靠［4］。

4.4 变频改造后可能会遇到的改造问题

采用变频模式与原方式最大的不同就是风机和电机速度可变，因为原设计有些设备对运行转速有一定要求，变频改造后有可能会出现问题，需要同时进行整改：

（1） 风机的润滑油系统：

风机润滑系统主油泵连接于风机主轴，风机慢速工作时，会造成主油泵供油不足。此时辅助油泵将不在仅用于风机启停时，也将用于风机低速运行状态。而判断的条件应该是润滑油压。目前系统标配一台辅助油泵，为确保设备安全顺行，需要增加一台备用泵。

（2）电机的散热及润滑:

电机的风扇安装于电机主轴，电机低速运行时可能造成风扇风量不足，因此电机散热问题取决于电机工作的速度区间。在不对电机内部散热进行修改的前提下，可以先调节前导叶，使电机工作在相对的高速的区间，以满足散热要求。如果散热仍无法满足，可以考虑对电机作散热的物理改造。电机润滑为自供给系统，也依赖于电机的高速运行状态，为了满足低速运行要求，可以将风机辅助润滑系统同时接入电机润滑系统。

新增加的变频器控制部分将接入到DCS，由DCS系统控制。DCS 系统程序将会增加更多功能，既要兼容旁路运行导叶调节模式，也需要实现速度调节为主，导叶调节为辅的工作模式。

（3）风机转速的下降可能会导致进出口管道压力及气流的变化，这也是可能需要前导叶配合的原因，具体操作模式的制定，还需要工艺系统的工程师进行分析和处理［5］。

5 DCS信号调试

5.1 风机原有信号

风机原设计为直接启动，直接由配电室QF0合闸来启动风机，风机与DCS之间的联络信号如下：

（1） 紧急停车信号：安装在中控室，由硬线连接紧急停车按钮和QF0，按下紧急停车按钮后直接将QF0分闸。

（2）DCS连锁信号，由硬线连接DCS和QF0，当发生工艺连锁或风机温度、振动、油压连锁，立即由DCS发信号将QF0分闸。

（3）风机运行信号，由硬线连接QF0和DCS，将QF0的合闸信号直接传给DCS，使用常开触点。用于判断风机是否运行，参与全厂连锁。

5.2 风机变频改造后信号

除原逻辑、信号保留外，另外新增了以下联络信号:

（1）新增DCS连锁信号至变频器，由硬线连接DCS和变频器当发生工艺连锁或风机温度、振动、油压连锁，立即由DCS发信号停止变频器。

（2）变频器故障、运行信号，由硬线连接变频器和DCS，信号反应在DCS画面中，仅用于显示，未参与程序。

（3）变频器紧急停车按钮，安装在中控室，由硬线连接紧急停车按钮和变频器，按下紧急停车按钮后直接将变频器停止。

6 节能分析

风机经过2016年年修中的优化后，实现了完全的变频调速，即入口导叶开至100%，通过调节电机转速的方式来调节风量。具体节能情况如下：

6.1 未安装变频器运行

由表2可以看出，在没有安装变频器的情况下，2015年3月23日至2015年12月31日，共283天，共耗电950万kW·h。

平均每天耗电量为：

平均每月耗电量为：

表2 2015年风机运行消耗电能

6.2 变频运行后

由表3可以看出，在变频运行模式下，2016年12月1日至2017年1月5日共计35天，共耗电98.96万kW·h。

平均每天耗电量为：

平均每月耗电量为：

根据计算，目前该风机每天可节电3.3569-2.8275=0.5294万kW·h，每年（360天）可节电0.5294*360=190.584万kW·h。

表3 2016年调频风机运行消耗电能

7 结束语

变频器调速不仅具有良好的可靠性、较宽的调速范围且调速曲线平滑能满足工艺要求，较小的启动电流亦可以减少对电网的冲击。变频系统各种保护功能可靠，从而消除了因电机过载或单相运行而烧毁电机的现象，确保了安全运行。改造后，精简了控制程序，使操作更加方便，提高了生产效率，从而达到了节能降耗的目的。其综合效益是特别明显的。