高压变频器在硫酸主风机系统节能改造中的应用

唐笑潮

(湖南省桂阳银星有色冶炼有限公司， 湖南 桂阳 424400)

0 前言

节约资源保护环境是我国的基本国策，企业应用先进技术代替高能耗的落后技术，大力开展节能降耗工作，达到节能环保的要求[1]。交流变频调速技术是80年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，并且因其节能效益显著、调速精度高、调速范围宽、保护功能完善、运行安全可靠和安装维护简单等优点被广泛应用[2-3]，尤其是随着国产高压变频技术的不断进步、发展和成熟，成套高压变频调速设备价格的不断下降，目前，已经成为风机、水泵类等设备调速改造的首选[4-5]。

湖南省某冶炼公司硫酸制酸系统，自2011年建成投产以来，硫酸产品单位能耗一直居高不下，其中电耗占整个单位产品能源消耗的比例高达99%以上，因此硫酸系统SO2主风机调速系统的改造势在必行。通过多种技术方案论证比较，选用性价比较高的山东“新风光第六代高压变频器”产品实施变频节能改造，收到了较好的技术经济效果，给同行业改造提供借鉴。

1 原硫酸系统SO2主风机存在的问题

湖南省某冶炼公司原硫酸制酸系统SO2主风机采用2台(1用1备)单级离心式鼓风机，设备主要技术参数见表1。从表1知，SO2主风机选择10 kV电压等级、功率1 000 kW的电动机，这台设备是硫酸生产系统最大的耗能设备，用电量负荷大，是造成硫酸单位产品电耗高的主要原因之一。

表1 硫酸单级离心鼓风机设备的主要技术参数

当时项目建设总包工程时，从投资节约的角度出发，原硫酸单级离心式鼓风机采用的调速设备为液力偶合器。液力偶合器传递功率时要消耗一定的能源，从它的工作原理知，是以液体为介质传递功率，通过改变偶合器液体腔内液体的充满度来调节输出力矩和输出转速，满足风机类设备实现无级调速的液体联轴装置。偶合器在实际使用中基本上可以满足硫酸生产工艺及风机调速的要求，但是存在设备可靠性低、故障率高等问题，其主要存在的问题如下：

1)液力偶合器是低效调速设备，在调速、传递功率等使用过程中需要消耗一定的能源，风机低速运行时偶合器的运行效率更低。

2)调速液力偶合器的液体腔内的液体介质，在实际使用中会产生大量的热量，为了平衡液体产生的热量，降低液体介质温度必须配套可靠的热交换设备对液体介质进行换热处理，需要风机调一定量的循环冷却水对其进行冷却，必然增加循环冷却水泵的开机台数。

3)设备内部结构复杂，各部件之间的环节较多。

4)在实际使用中往往会产生较大的振动和噪音。

5)故障率比较高。在运行实践中，液力偶合器调速系统多次出现轴承损坏等设备故障。其中，最严重一次的设备事故，造成液力偶合器、电机主轴及轴瓦及损坏，不但造成硫酸制酸生产系统的停产，还影响到氧气底吹炉铅熔炼系统的生产；一旦停产时间较长，其硫酸制酸转化系统必须启动加温电炉，势必增加系统的能源消耗，影响硫酸产品单位能耗。

2 变频节能改造方案

通过多种技术方案论证比较，湖南省某冶炼公司选用性价比较高的山东“新风光第六代高压变频器”产品对硫酸制酸系统进行变频节能改造，收到了较好的技术经济效果。

2.1 高压变频器的特点及主要技术参数

2.1.1 主要特点

高压变频器的系统结构如图1所示，其主要特点如下：

图1 高压变频器的系统结构

1)高压变频器为直接“高- 高”结构，无输出升压变压器，输出端为单元串联移相式PWM方式。

2)由若干个独立低压功率单元串联实现高压输出。

3)机组运用矢量控制技术，最大限度保证较大的启动转矩及动态响应速度。

4)具有故障单元热复位技术，变频器能自动实现对故障单元进行旁路运行，不必等变频器停机处理。

5)能够在很短时间(0.1 s内)从保护状态复位重新启动并带负载运行。

6)高压变频器采用一拖一手动切换控制方案，其一次回路如图2所示。

图2 一拖一手动切换控制方案的一次回路

7)变频器机组柜顶部，设置了专用冷却离心风机，并通过风道将机组柜内电气设备元器件产生的热量排到室外。

8)在中控室配备了后台系统，通过DCS系统实现对设备远程操作、运行参数监视、故障报警及联锁停机，保证设备安全可靠运行。

2.1.2 主要技术参数

高压变频器选用了目前国内新型的IGBT功率器件和DSB+FPGA+ARM全数字化微机控制操作系统，技术优势明显，硫酸主风机调速系统设备(高压变频器)的主要技术参数见表2。

2.2 调速系统改造方案的比较与确定

2.2.1 方案一

将原系统的液力偶合器及2对弹性柱销联轴器拆除，高压电动机与风机的基础位置保持不动，设计1根轴接手，选用2对膜片联轴器，利用轴接手及膜片联轴器将电机与风机连接成一体。

1)优点：由于风机及电机基础位置保持不动，改造方案简单、容易。

2)缺点：由于轴接手尺寸较长，轴接手及联轴器部件质量较重，在转动过程中会增加电机的负荷，对整个风机设备系统有一定的影响；轴承部位及轴接手由于设有支撑，影响设备运行的可靠性。

表2 硫酸主风机调速系统设备(高压变频器)主要技术参数

2.2.2 方案二

利用原调速型偶合器的箱体作为中间连接轴的轴承箱，将偶合器的转鼓拆除，重新设计一根短轴，安装在原转鼓位置，采用2个滚动轴承支承，利用原来偶合器的油路系统作为中间轴承箱的润滑系统。

1)优点：充分利用原有调速系统的设备零部件，改造费用较低；而且由于采用了轴承箱结构，提高了调速系统运行的可靠性。

2)缺点：轴承箱需要润滑系统，滚动轴承支承结构在设备转动过程中会有一定的能耗损失，降低了设备的机械效率。

2.2.3 方案三

利用原液力偶合器的基础及地脚螺栓，重新设计一个专用钢制底座，将电机安装位置移到靠近风机位置处，重新加工4个电机地脚螺栓孔(高压电机底座为钢板焊接件)，利用原电机前端两个地脚螺栓及钢制底座两个螺栓固定电动机，将原电机的电缆及电动要轴承润滑油管路作适当调整即可，将液力偶合器轴上的联轴器与原电动机轴上的联轴器对换，内孔尺寸作适当的修改。

与“方案一”相比，取消了轴接手；与“方案二”相比，没有中间轴承箱及短轴，也不需要轴承箱的润滑油系统，原来的板式换热器可完全拆除。相对上述两个方案，系统设备构件少，系统的机械效率最高。

综上所述，湖南省某冶炼公司硫酸制酸系统风机节能改造选择“方案三”。于2019年2月利用设备停产大修期间，对硫酸主风机调速系统成功地进行了改造，收到了可观的技术经济效果，目前，硫酸主风机高压变频调速系统及风机设备运行状况比较平稳。

3 节能分析及经济效益

3.1 节能分析

硫酸主风机调速系统改造前后的实际电耗见表3。

表3 硫酸主风机调速系统改造前后的实际电耗统计

由表3可知，硫酸主风机调速系统改造前后的节能效果主要体现在以下几个方面：

1)SO2主风机平均功率由729.00 kW下降到644.00 kW，下降率为11.66%。

2)由于取消SO2主风机热交换设备(板式换热器)，减少了硫酸工艺系统循环水的用量，停开了1台配套电机功率132 kW的循环冷却水泵，按照低压用电电表操表数统计，每月可节电59 560.00 kWh。

3)高压变频器损耗及调速系统的总损耗相对调速型液力偶合器系统的能耗低得多。

4)取消风机调速型液力偶合器，减少了设备故障发生，提高了系统的正常运行率，降低了停产损失及升温过程中的能源消耗。

5)设备噪声明显降低，振动减少，保证了设备运行平稳，降低了设备维修费用。

3.2 经济效益

1)按单台风机计算节电效益：调速系统改造后硫酸主风机的直接平均功率由729.00 kW下降到644.00 kW，平均月节电量=542 600-479 320=63 280 kWh，全年按11个月生产时间、电价按0.5元/kWh计算，硫酸主风机年节约电费为34.8万元。

2)按硫酸产品单耗下降幅度计算节电效益：调速系统改造后每月单位产品能耗由原来的135.89 kWh/t下降到114.72 kWh/t，按平均月产量10 000 t、全年11个月生产时间计算，调速系统改造后的年节电效益约116.4万元。

4 结束语

湖南省某冶炼公司的硫酸主风机调速系统应用高压变频器改造后，已经平稳运行了6个月时间，国产“新风光第六代高压变频器”调速装置在硫酸主风机的应用与改造是非常成功的。改造方案简单合理，设备效率较高，回收投资期很短，按照硫酸产品单位电耗下降幅度计算，年节电效益高达116.4万元，硫酸主风机调速系统的改造达到了预期的经济效果。