節(jié)能降耗是當(dāng)前冶金企業(yè)降本增效的重要途徑，也是濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司實(shí)施低成本戰(zhàn)略的核心內(nèi)容。作為傳統(tǒng)煉鐵廠豎爐球團(tuán)工藝流程、裝備相對落后、爐體狀況不佳，濟(jì)鋼煉鐵豎爐在生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的煙塵，含有粉塵顆粒和硫化氣體，污染環(huán)境，根據(jù)國家法規(guī)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)，需要對煙氣進(jìn)行除塵凈化處理，由除塵風(fēng)機(jī)將其排至煙囪放散或輸送到脫硫系統(tǒng)中再循環(huán)利用。根據(jù)煉鐵工藝生產(chǎn)特點(diǎn)要求，風(fēng)機(jī)一般是根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境最惡劣的狀態(tài)設(shè)計(jì)的，要求除塵風(fēng)機(jī)在整個煉鐵工作周期內(nèi)運(yùn)行，除塵風(fēng)機(jī)在煉鐵廠屬主要高耗能設(shè)備，有煉鐵廠里的“電老虎”之稱，其容量一般都是根據(jù)生產(chǎn)工藝中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷條件選擇， 但在實(shí)際運(yùn)行中往往比設(shè)計(jì)要小得多，屬于“大馬拉小車”的狀態(tài)，其電能損耗相當(dāng)嚴(yán)重。如果電機(jī)不采用變頻調(diào)速控制，則流量通常只能通過調(diào)節(jié)擋板或閥門控制，其結(jié)果是造成很大的能量損耗。采用變頻器將電動機(jī)直接進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，節(jié)能效果顯著，取得明顯成效。

1 變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的原理及調(diào)速方式比較

1.1 變頻調(diào)速原理變頻控制使異步電動機(jī)具有與直流電動機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩生成機(jī)理，變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。其基本原理是通過整流橋?qū)⒐ゎl交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?，整流部分為三相橋式不可控整流器，再由逆變器轉(zhuǎn)換為頻率、電壓可調(diào)的交流電壓作為交流電機(jī)的驅(qū)動電源，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。使電機(jī)獲得無級調(diào)速所需的電壓和電流，是一種無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式之一。變頻調(diào)速技術(shù)能根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)自動、平滑的增速、減速，從而大幅度提高電機(jī)的工作效率。

1.2 當(dāng)前各種調(diào)速方法比較隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種針對風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的調(diào)速裝置生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。普遍采用的調(diào)速方法主要有：

1)串級調(diào)速控制(適用于繞線式異步電動機(jī))。具有效率高，投資小、當(dāng)調(diào)速裝置發(fā)生故障時能輕便的切換至全速運(yùn)行，可以有效避免停產(chǎn)但是諧波影響大，因?yàn)榫чl管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低。

2)變極對數(shù)調(diào)速控制。變極對數(shù)調(diào)速方法是利用定子繞組的接紅方式改變來改變籠型電動機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)速的目的，此方法具有穩(wěn)定性好、機(jī)械性能好、效率高、接線簡單、控制方便等。

3)繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式(適用于繞線式異步電動機(jī))。

4)液力偶合器調(diào)速控制。具有功率適用范圍廣、能容大、結(jié)構(gòu)簡單、易于控制等特點(diǎn)。

5)電磁調(diào)速電動機(jī)調(diào)速方法。特點(diǎn)線路簡單、調(diào)速平滑、對電網(wǎng)無諧影響，但是效率低。

6)變頻調(diào)速控制。具有調(diào)速范圍大、特性硬、精度高、應(yīng)用范圍廣、調(diào)速過程中不會產(chǎn)生損耗、且使用效率高的特點(diǎn)。

在各種調(diào)速控制方法中，液力偶合器和轉(zhuǎn)子回路串電阻方式調(diào)速控制效率最低，且速度越低效率越低;無換向器電機(jī)調(diào)速控制效率最高，若采用鼠籠式電動機(jī)，變頻調(diào)速控制方式效率最高。

2變頻節(jié)能原理

2.1 軟啟動節(jié)能煉鐵廠多臺大容量高壓除塵風(fēng)機(jī)直接啟動或液力耦合器啟動，啟動電流大大高于額定電流，對電網(wǎng)沖擊大且損害電機(jī)設(shè)備，一方面要求電網(wǎng)容量高，另一方面由于啟動時產(chǎn)生的大電流和震動對設(shè)備的損害極大，大大縮短了現(xiàn)場設(shè)備壽命。若使用變頻節(jié)能裝置，采用變頻器的軟啟動功能，所謂軟啟動，就是使用調(diào)壓裝置在規(guī)定時間內(nèi)，自動將啟動電壓連續(xù)平滑地上升，直到達(dá)到電機(jī)額定電壓。軟起動器是一種用mA級電流控制達(dá)幾kA晶閘管的無觸點(diǎn)電力控制設(shè)備，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，它以微處理器為核心，輔加相應(yīng)檢測電路，控制器自動調(diào)節(jié)電抗器的勵磁電流，改變電抗器的電流值，限制起動電流，達(dá)到平滑啟動電壓，減少了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求。這種基于微處理器基礎(chǔ)上的軟件化控制，不僅有一般的電機(jī)保護(hù)功能，還有雙斜坡啟動和預(yù)置低速運(yùn)行、避免機(jī)械沖擊等特殊的工藝控制功能。

2.2 變頻節(jié)能技術(shù)分析煉鐵廠除塵風(fēng)機(jī)作為一種基本的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，負(fù)載的平方轉(zhuǎn)矩特性與異步電動機(jī)啟動時的機(jī)械特性曲線部分相似，變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性是轉(zhuǎn)矩隨速度的上升而上升。從流體力學(xué)的原理得知風(fēng)機(jī)的電動機(jī)的軸功率P與其風(fēng)量Q，壓力H之間的關(guān)系式如下：

P(功率)=Q(風(fēng)量)×H(壓力)Q2/Q1=N2/N1H2/H1=(N2/N1)2P2/P1=(N2/N1)3由上式可知，風(fēng)量Q和電機(jī)的轉(zhuǎn)速n是成正比關(guān)系的，風(fēng)機(jī)的電動機(jī)的軸功率(功率輸出)與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，而轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的2次方成正比。

低速時，功率會有很大的下降。由于除塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以上是恒功率調(diào)速，此時風(fēng)機(jī)效率很低，電機(jī)機(jī)械磨損較大，對電機(jī)設(shè)備損害大。在理想狀態(tài)下，通過調(diào)速方式改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，風(fēng)量下降一半時，風(fēng)機(jī)軸功率將下降87.5%。從理論上講，當(dāng)采用變頻調(diào)速時，50 Hz滿載時功率因數(shù)接近l，速度降低10%時會帶來30%左右的功率下降，工作電流比電機(jī)額定電流值要低許多，可獲得顯著的節(jié)能效果，變頻裝置的多級移相疊加的整流方式可大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。

3 變頻改造應(yīng)用

3.1 設(shè)備概況濟(jì)鋼煉鐵廠實(shí)施變頻改造的除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)如下：型號：YRKK450-4;額定功率450kW;額定電壓：6000V;額定電流：54A;額定轉(zhuǎn)速：1486r/min。負(fù)載對象為球團(tuán)成品上料皮帶及成品料倉，在未實(shí)施變頻改造之前，要根據(jù)成品球團(tuán)上料皮帶開停及成品料倉情況調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，穩(wěn)定時風(fēng)門開度為50%，風(fēng)機(jī)出口壓力保持在-2.0kPa左右，實(shí)際運(yùn)行電流約為40A。

3.2 改造應(yīng)用方案系統(tǒng)新增變頻柜1臺，變頻器選用三星力達(dá)SUPERDRIVE V7系列高壓變頻器，控制過程如下：熱電偶和皮帶秤將成品料倉內(nèi)監(jiān)測到的溫度和皮帶壓力信號傳送給DCS系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)根據(jù)檢測值分別進(jìn)行PID閉環(huán)運(yùn)算，輸出信號(4～20mA)給除塵風(fēng)機(jī)變頻器作為速度給定信號來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，另外亦可采用直接給定模式，直接給定除塵風(fēng)機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速信號。系統(tǒng)控制模式分為手動和自動2種工作模式，可以通過開關(guān)選擇控制模式。為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，系統(tǒng)采用工變頻冗余方案，保留原風(fēng)機(jī)工頻控制柜。實(shí)現(xiàn)工變頻聯(lián)鎖，提高系統(tǒng)可靠性，當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障或需檢修時，可切換到工頻運(yùn)行模式。

3.3 效果分析1)節(jié)電效果明顯，電機(jī)運(yùn)行頻率穩(wěn)定在12～35HZ，平均節(jié)能率在50%以上。大大節(jié)約了除塵風(fēng)機(jī)的耗電量，年節(jié)約費(fèi)用60萬元，降低了高爐生產(chǎn)的成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

2)采用變頻調(diào)速控制，其裝置具備軟起動、軟停止的功能，設(shè)備運(yùn)行可靠，維護(hù)費(fèi)用低。減少了對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，系統(tǒng)電網(wǎng)有功功率增加，功率因數(shù)由0.76提升到0.98，電源質(zhì)量明顯改善，延長了電機(jī)及風(fēng)機(jī)的使用壽命。

3)變頻調(diào)速裝置運(yùn)行可靠，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，除塵器運(yùn)行參數(shù)正常，不需要停產(chǎn)檢修，減少了維修時間，提高了產(chǎn)量。

4 結(jié)語

煉鐵廠球團(tuán)成品除塵風(fēng)機(jī)經(jīng)過改造后，優(yōu)化了除塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，降低了噪聲，節(jié)約了大量電能，同時拉長了除塵風(fēng)機(jī)的維修周期，節(jié)省了維修成本。目前，煉鐵廠擬對球團(tuán)區(qū)域的另外3臺除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，其經(jīng)濟(jì)效益明顯，同時也增強(qiáng)了煉鐵球團(tuán)產(chǎn)品的市場競爭力。