摘要：本文介紹了風光高壓變頻器在漢源錦泰礦業(yè)有限公司沸騰焙燒爐羅茨鼓風機中的應用情況?，F場運行情況表明，采用高壓變頻器對沸騰焙燒爐羅茨鼓風機進行調速節(jié)能，節(jié)能效果是明顯的。

關鍵詞：高壓變頻器,沸騰焙燒爐,羅茨鼓風機,節(jié)能

1用戶簡介

漢源錦泰礦業(yè)有限公司是一家股份制民營企業(yè)，具有日處理鉛鋅礦石4000噸，年產0號、1號鋅錠50000噸、硫酸62000噸、鋅焙砂54000噸，日處理電解鋅廢渣200噸的生產能力；總投資已達12億多元人民幣，已發(fā)展成集鉛鋅礦開采、浮選、焙燒制酸、冶煉和廢渣綜合利用為一體的集團化公司，是我國西部地區(qū)設備、工藝和技術較先進、產品質量最好、生產能力較大、銷量較大的鉛鋅生產企業(yè)之一。漢源錦泰礦業(yè)有限公司有一座40m2沸騰焙燒爐，而羅茨鼓風機又是沸騰焙燒爐的心臟設備，在2014年設備節(jié)能改造中，對羅茨鼓風機采用變頻調速技術，取得了較好效果?，F場羅茨鼓風機參數如下表1、表2所示。

2沸騰焙燒爐

2.1沸騰焙燒爐介紹

沸騰焙燒以流態(tài)化技術為基礎。固體顆粒在氣流的作用下，構成流態(tài)化床層似沸騰狀態(tài)，被稱作流態(tài)化床或沸騰床。這樣礦石可在沸騰狀態(tài)下進行加熱還原，有利于提高焙燒礦質量。焙燒過程有反應熱放出，產生含有二氧化硫的氣體主要用來制造硫酸，礦渣則用作冶金原料。硫化礦沸騰焙燒技術是50年代初聯(lián)邦德國的巴登苯胺純堿公司和美國的多爾公司分別開發(fā)的。沸騰焙燒爐結構示意圖如圖1所示。

圖1結構示意圖

沸騰焙燒爐爐體（見圖1）為鋼殼內襯保溫磚再襯耐火磚構成。為防止冷凝酸腐蝕，鋼殼外面有保溫層。爐子的最下部是風室，設有空氣進口管，其上是空氣分布板。空氣分布板上是耐火混凝土爐床，埋設有許多側面開小孔的風帽。爐膛中部為向上擴大的圓錐體，上部焙燒空間的截面積比沸騰層的截面積大，以減少固體粒子吹出。沸騰層中裝有廢熱鍋爐的冷卻管，爐體還設有加料口、礦渣溢流口、爐氣出口、二次空氣進口、點火口等接管。爐頂有防爆孔。

2.2沸騰焙燒爐工作原理

沸騰焙燒爐工作原理是利用流態(tài)化技術，是參與反應或熱、質傳遞的氣體和固體充分接觸，實現他們之間最快的傳質，傳熱賀棟梁傳遞速度，獲得最大的設備生產能力。

（1）流化床的形成

當流體的氣流速度繼續(xù)增大到一定值，床層開始膨脹和變松，全部顆粒都懸浮在向上流動的流體中，形成強力攪渾流動。這種具有流體的某些表觀特征的流-固混合床成為流化床。在氣-固流化床中，形成顆粒強烈翻滾，故又稱為沸騰床。

（2）流態(tài)化范圍與操作速度

從臨界速度開始流態(tài)化，到帶出速度下流化床開始破壞這一速度范圍成為流態(tài)化范圍。它是選擇操作流態(tài)化速度的上下極限。流態(tài)化范圍越寬，流化床的操作越穩(wěn)定。這一范圍大小可以用帶出速度與臨界速度的比來表示。理論和實際證明，顆粒月細則流態(tài)化范圍越小，不規(guī)則的寬篩分物料的流態(tài)化范圍比球形粒子的要小。

實際上多數工業(yè)流化床內粒級分布較寬，所以合理的操作速度應是絕大部分顆粒正常流態(tài)化而又不大于某一指定粒級的帶出速度。一般根據林杰流態(tài)化速度并利用流態(tài)化指數的經驗數據來確定操作氣流速度。

3沸騰焙燒爐變頻節(jié)能原理

沸騰焙燒爐是利用流態(tài)化技術的熱工設備，已廣泛應用于鋅精礦的焙燒。它具有氣-固相間傳熱質速度快、層內溫度均勻、產品質量好、沸騰層與冷卻水套之間傳熱系數大、生產率高、操作簡單、便于實現生產連續(xù)化和自動化等優(yōu)點。

鋅精礦的主要物相組成為ZnS，約占70%以上。在沸騰焙燒爐內焙燒時主要化學反應式為：ZnS+O2→ZnO+SO2，該反應屬放熱反應，放出的熱量除用于維持爐內的焙燒溫度，大部分由高溫煙氣及冷卻水帶走。沸騰爐空氣需要量為20000Nm3/h。通過對沸騰爐層及管網阻力損失的計算，爐子正常生產時，空氣壓力為12500-13500Pa。但考慮到開爐及處理異常情況時的工藝要求，所選風機的富裕量達50%以上，這樣使風機的能力不能充分發(fā)揮。

由于沸騰爐羅茨鼓風機的風量和風壓的余量很大，正常工作時必須將其調至合理的工況，另外隨著爐子的產量和鋅精礦成分的變化，風機的工況也須調整。為了調節(jié)送風量在送風管上放風，調節(jié)范圍雖大，但浪費極大，風機放空噪音很大，嚴重影響了周圍居民的生活；較好的辦法是采用變頻調速裝置。電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是電動機最為合理的調速方法。風機的轉速與頻率的關系式為n＝60f/p（1-s），可見，通過調節(jié)電流頻率可調節(jié)風機轉速，從理論上講，風機的流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比，因此，調節(jié)風機轉速時可以調節(jié)風機的流量、壓力，軸功率的變化就更明顯。

漢源錦泰礦業(yè)有限公司領導基于節(jié)約能源降低成本，和降低風機運行噪音兩方面考慮，決定選用變頻器對原設備進行改造。經過反復對比決定采用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的JD-BP38-450F（450kW/10kV）高壓變頻器對沸騰焙燒爐羅茨鼓風機進行變頻改造。

4新風光JD-BP38系列高壓變頻調速系統(tǒng)技術特點

風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯(lián)多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。產品2003年被列為國家重點新產品，高壓提升機變頻調速系統(tǒng)2005年被列為國家火炬計劃項目，獲科技部中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金項目資助。2007年，高壓變頻器被評為中國名牌產品，是國內高壓變頻器行業(yè)為數不多的兩個名牌產品之一。具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。

(2)矢量控制技術，通過測量和控制交流電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對交流電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制交流電動機轉矩的目的。啟動轉矩大，轉矩動態(tài)響應快，調速精度高，帶負載能力強。

(3)快速飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。在變頻器受到負載沖擊保護后可對其自動復位，然后再自動啟動，即可避免重要場合（如水泥廠高溫風機）變頻保護停機造成的損失?？焖亠w車啟動技術可實現變頻器在0.1s之內從保護狀態(tài)復位重新帶載運行。

(4)工頻/變頻無擾切換技術。現在的高壓變頻調速系統(tǒng)一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態(tài)，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。

(5)電網瞬時掉電重啟技術，電網瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間。

(6)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

(7)振蕩抑制技術，電機輕載或者空載的時候會出現局部不穩(wěn)定現象，這時電流幅值波動很大，電流的振蕩有可能會導致系統(tǒng)因為過流或過壓而觸發(fā)保護。新風光公司采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。

(8)多機主從控制技術，變頻器具備主從控制功能，多臺變頻器之間可通過數據總線組成主從控制網絡。將其中的一臺設為主機，其他設為從機，主機實時采集各從機的狀態(tài)信息，同時發(fā)送給各從機頻率、轉矩指令，實現各臺變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術適用于皮帶機、摩擦式提升機等需要功率平衡控制的場合。

(9)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據母線電壓調整輸出電壓，從而實現自動穩(wěn)壓功能。避免電網波動對輸出電壓的影響。

(10)故障單元熱復位技術，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續(xù)運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機。

（11）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。

（12）具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。

（13）限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數。

（14）多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議頻率設定可以現場給定、通訊給定等支持頻率預設、加減速功能。

5高壓變頻器主回路控制方案

高壓變頻器設備安裝在風機值班室內，原高壓柜至電機的高壓電纜用做改造時電機至變頻器連接電纜，變頻器至高壓柜電纜重新敷設，同時敷設集控室至高壓變頻器的控制電纜用于變頻器的遠程控制，采集現場設備狀態(tài)信號，實現設備的實時調節(jié)及信號反饋。此外還需敷設一根高壓柜至變頻器的控制電纜，用于高壓柜合閘允許和高壓柜緊急分閘控制。

一次接線如圖2所示。

圖2手動旁路柜

圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。

旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。

保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

6焙燒爐風機改造運行情況

沸騰焙燒爐羅茨鼓風機高壓變頻器2014年4月一次正式投入運行，至今運行正常。改造達到了預期目的。羅茨鼓風機電機電流大大減小，風機運行噪聲大大降低。變頻運行后，送風管上防風管關閉，根據焙燒爐生產量的大小，隨時調節(jié)羅茨鼓風機的風量大小，滿足生產沸騰爐的工藝要求，而且現場人員操作非常方便。

6.1節(jié)能計算

2014年5月漢源錦泰公司節(jié)能服務中心隨機對羅茨鼓風機高壓變頻器進行了測試，記錄數據如表3所示。

根據表3，沸騰焙燒爐羅茨鼓風機工頻運行時，功率因數取0.8，電源電壓10.20kV，計算每小時耗電為：315.2kW。沸騰焙燒爐羅茨鼓風機變頻運行時，功率因數為0.97，變頻輸入電壓10.20kV，計算每小時耗電為：123.4kW。較工頻運行時每小時節(jié)約電量191.8kW。每年運行300d，每天運行24h，那么年節(jié)約電量：191.8kW×24h×300d=138.096萬kW•h。

通過以上變頻運行數據，在與生產工況基本相同的工頻運行相比，電機電流、消耗功率大大減小，節(jié)能效果是非常明顯的。

6.2間接效益

（1）提高控制精度，安裝變頻器后，引入壓力反饋信號，采用變頻器的PID閉環(huán)控制或DCS控制轉速自動保持生產所需風壓，從而提高了壓力控制精度，而且與閥門相比更直觀，方便調節(jié)風機轉速來滿足生產需要。

（2）有效地改善了現場運行環(huán)境。采用變頻調速后，大大減少了風機管道震動頻率和噪音。消除了風機的旁路放空噪聲，解決了風機擾民問題，改善了工人的工作環(huán)境。

（3）減少了維護工作量和維護費用，延長了設備的使用壽命。

由于采用了變頻調速技術,電機啟動、調速平穩(wěn),不存在啟動電流沖擊,減少了羅茨鼓風機出口壓力瞬間提高對風機和電網的沖擊,而且羅茨鼓風機和驅動電機都處于相對額定轉速較低的轉速上，因而其零部件的機械磨損減少,降低了維護費用，延長了風機使用壽命。

7結束語

綜合看來，漢源錦泰礦業(yè)有限公司沸騰焙燒爐羅茨鼓風機采用高壓變頻器進行改造后，提高了沸騰焙燒爐風機的運行效率，降低了鋅錠的生產成本，對保證沸騰焙燒爐的安全運行起著重要的作用。

參考文獻

[1]山東新風光電子使用手冊[Z]山東新風光電子科技發(fā)展有限公司

作者簡介

徐西甲，技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發(fā)展有限公司。

張建忠，高級工程師，漢源錦泰礦業(yè)有限公司鋅焙砂廠廠長。