希望森蘭高壓變頻器在青島鋼鐵集團燒結機余熱發(fā)電系統(tǒng)中的應用

關鍵詞： 希望森蘭高壓變頻器 余熱發(fā)電系統(tǒng)

摘要：鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟重要基礎產(chǎn)業(yè)，能源消耗量約占全國工業(yè)總能耗的16%，廢水和固體廢棄物排放量分別占工業(yè)排放總量的15%和18%，是節(jié)能減排的重點行業(yè)。在鋼鐵企業(yè)中，燒結工序能耗僅次于煉鐵工序，占總能耗的10%~12%，節(jié)能潛力很大。在燒結工序總能耗中，有近50％的熱能以燒結機煙氣和冷卻機廢氣的形式排入大氣。由于燒結冷卻機廢氣為中低溫廢氣，溫度在150℃～450℃之間，且波動范圍較大，加上此前余熱回收技術的局限，燒結余熱利用往往是投資高，效率低，投資回收周期長，長期以來得不到有效利用。隨著國內(nèi)燒結機面積不斷的擴大，燒結礦生產(chǎn)效率越來越高，其在冷卻過程中產(chǎn)生的廢氣所攜帶的熱量已經(jīng)引起了人們的高度關注。國內(nèi)自主設計、制造的燒結機余熱發(fā)電機組也發(fā)展起來。

1、引言

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟重要基礎產(chǎn)業(yè)，能源消耗量約占全國工業(yè)總能耗的16%，廢水和固體廢棄物排放量分別占工業(yè)排放總量的15%和18%，是節(jié)能減排的重點行業(yè)。在鋼鐵企業(yè)中，燒結工序能耗僅次于煉鐵工序，占總能耗的10%~12%，節(jié)能潛力很大。在燒結工序總能耗中，有近50％的熱能以燒結機煙氣和冷卻機廢氣的形式排入大氣。由于燒結冷卻機廢氣為中低溫廢氣，溫度在150℃～450℃之間，且波動范圍較大，加上此前余熱回收技術的局限，燒結余熱利用往往是投資高，效率低，投資回收周期長，長期以來得不到有效利用。隨著國內(nèi)燒結機面積不斷的擴大，燒結礦生產(chǎn)效率越來越高，其在冷卻過程中產(chǎn)生的廢氣所攜帶的熱量已經(jīng)引起了人們的高度關注。國內(nèi)自主設計、制造的燒結機余熱發(fā)電機組也發(fā)展起來。

2、燒結余熱循環(huán)利用介紹

燒結余熱回收主要有兩部分：一是燒結機尾部廢氣余熱，二是熱燒結礦在冷卻前空冷時產(chǎn)生的廢氣余熱。這兩部分廢氣所含熱量約占燒結總耗能的50%，充分利用這部分熱量是提高燒結能源利用效率，顯著降低燒結工序能耗的途徑之一。

目前，國內(nèi)燒結廢氣余熱回收利用主要有三種方式：一是直接將廢煙氣經(jīng)過凈化后作為點火爐的助燃空氣或用于預熱混合料，以降低燃料消耗，這種方式較為簡單，但余熱利用量有限，一般不超過煙氣量的10%；二是將廢煙氣通過熱管裝置或余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，并入全廠蒸汽管網(wǎng)，替代部分燃煤鍋爐；三是將余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于驅動汽輪機組發(fā)電。

3、青島鋼鐵集團2*240㎡燒結余熱發(fā)電工藝介紹

此次改造燒結余熱發(fā)電工程設計發(fā)電能力14000kW。由一臺30噸蒸汽量的雙壓余熱鍋爐和一臺15兆瓦補汽凝汽式汽輪發(fā)電機組成。具體工藝流程見圖1。

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圖1青島鋼鐵集團煉鐵廠燒結余熱發(fā)電工藝流程圖

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圖2青島鋼鐵集團煉鐵廠燒結余熱余熱回收現(xiàn)場圖

通過引風機將帶冷機1號、2號煙囪的煙氣引出，混合后進入高效余熱鍋爐，加熱鍋爐內(nèi)的水產(chǎn)生過熱蒸汽和低壓飽和蒸汽，供給汽輪機發(fā)電。但是在這個過程中引風機排出煙氣溫度仍在150℃以上，這部分煙氣熱量也是可以再次循環(huán)利用的。此次燒結余熱發(fā)電配備循環(huán)風機一臺，配套西安西瑪YPTKK630-6(10kV /1800kW)變頻調(diào)速三相異步電動機一臺，啟動方式采用變頻啟動。引風機排出的煙氣經(jīng)過三通擋板閥一部分排向大氣，一部分經(jīng)循環(huán)風機增壓后返回環(huán)冷機風池。既作為冷卻介質冷卻燒結礦，同時提高環(huán)冷機排煙溫度。

燒結余熱發(fā)電是一項將燒結廢氣余熱資源轉變?yōu)殡娏Φ墓?jié)能技術。該技術不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其他有害氣體，能夠有效提高燒結工序的能源利用效率，平均每噸燒結礦產(chǎn)生的煙氣余熱回收可發(fā)電20kW·h，折合噸鋼綜合能耗可降低約8千克標準煤，從而促進鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗目標。

4、風機負載節(jié)能分析

一般異步電動機的同步轉速為：n1＝60f/p

而異步電動機轉速n與同步轉速n1存在一個滑差關系：n= n1（1-s）=60f/p（1-s）

由上式可以得到，改變異步電動機的轉速可以通過改變f、p、s可以達到。

針對某一電動機而言p是一定的，而通過改變s進行調(diào)速空間非常小，所以變頻調(diào)速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速是異步電動機的最為合理的調(diào)速方法。

若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。

根據(jù)流體力學相似定律：Q1/Q2＝n1/n2輸出風量Q與轉速n成正比；

H1/H2＝(n1/n2)2輸出壓力H與轉速n2正比；

P1/P2＝(n1/n2)3輸出軸功率P與轉速n3正比。

當風機風量（水泵流量）需要改變時，如調(diào)節(jié)風門（閥門）的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風量（流量），可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當風機（水泵）低于額定轉速時，理論節(jié)電為：

E=〔1-( n′/n) 3〕×P×T (kW·h)

式中：n——額定轉速

n′—— 實際轉速

P——額定轉速時電機功率

T——工作時間

可見，通過變頻對風機（水泵）進行控制，不但節(jié)能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。

5、高壓變頻器選型及變頻調(diào)速方案

5.1變頻器選型

經(jīng)過大量的技術論證，并且對目前高壓變頻器市場充分考查后，選用了希望森蘭科技股份有限公司生產(chǎn)的SBH-100-1800高壓變頻器對循環(huán)風機進行變頻控制，不但節(jié)約能源而且大大提高了設備運行性能。

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5.2變頻調(diào)速方案

通過對循環(huán)風機動力系統(tǒng)的研究、分析，綜合其中存在的問題，以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結構合理，提供最佳性價比方案”的原則對系統(tǒng)進行方案設計，決定采用一拖一手動方案。其一次電路如圖3所示：

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圖3 此項目高壓變頻一次電路

QS1，QS2，QS3為3個高壓隔離開關，要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖!QS1和QS2閉合，風機變頻運行；QS1和QS2斷開，QS3閉合，風機工頻運行。

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圖4 森蘭高壓變頻在燒結余熱回收應用現(xiàn)場圖

5.3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）電機拖動風機可實現(xiàn)軟起動，控制電機的啟動電流。變頻改造后降低啟動電流，減少對電網(wǎng)側的沖擊，提高繞組承受力，降低電機的維護成本，增長電機的壽命；同時大大減小了對風機設備的沖擊，降低維護成本，延長風機使用壽命。

（2）可實現(xiàn)線性調(diào)速，通過對電機轉速的調(diào)節(jié)控制風機風量滿足工藝生產(chǎn)；同時離心風機是平方轉矩負載，能耗是與電機的轉速成立方比，從而達到節(jié)能效果。

（3）系統(tǒng)設有就地和遠方兩種控制途徑，就地控制是在變頻器處通過變頻器觸摸屏進行操作或應急處理；遠方控制是在控制室內(nèi)進行.在這種工作方式下，操作員通過DCS系統(tǒng)的頻率給定信號，調(diào)節(jié)變頻器，改變電機轉速，達到調(diào)節(jié)風量的目的。

（4）信息傳遞：變頻器可以實現(xiàn)與機組DCS系統(tǒng)的雙向信息傳遞。變頻器可提供給DCS系統(tǒng)如下參量：輸出轉速、輸出電流等反饋信息，通過4～20mA電流源模擬量輸出；同時提供給DCS的開關量有：變頻器遠程控制指示，就緒，運行，輕故障，重故障指示狀態(tài)信息。變頻器接收的DCS的模擬量信號為頻率給定，開關量為遠方啟/停、復位信號等。通過變頻器與DCS信號的交換，實現(xiàn)遠程控制及監(jiān)視變頻運行各類數(shù)據(jù)功能，提高工藝生產(chǎn)自動化水平。

（5）完備的保護功能：過流，過壓，欠壓，輸入輸出缺相，輸出短路，輸出接地，變頻過熱，電機過載，失速防止，電機過熱等保護。

（6）系統(tǒng)的變頻風機實現(xiàn)變頻供電和電網(wǎng)供電相互切換運行，可手動切換，當變頻器發(fā)生異常后，風機仍需要運行，這時可將電機切換到工頻電網(wǎng)起動，增加風機系統(tǒng)運行可靠性。

6、現(xiàn)場應用及節(jié)能效果

（1）現(xiàn)場應用情況

此燒結余熱發(fā)電項目自投產(chǎn)以來運行良好。由于余熱發(fā)電項目是余熱回收實現(xiàn)效益最大化，但在生產(chǎn)過程中首先保證燒結礦的冷卻質量再談余熱回收。這就要求冷卻風鼓風量與引風量有個良好的匹配問題。在這個問題上循環(huán)風機變頻器發(fā)揮了重要作用。通過變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)風機的轉速，來調(diào)節(jié)冷卻機的鼓風量，使燒結礦冷卻效果良好同時又使發(fā)電量最大化。

（2）節(jié)能效果

在正常生產(chǎn)情況下，本臺循環(huán)風機變頻器運行頻率在25-35Hz,高壓側輸入電流在45-70A。與同功率電機工頻運行狀況比較，變頻改造后循環(huán)風機節(jié)能效果十分明顯。

7、結論

近幾年，隨著雙壓、閃蒸發(fā)電和補汽蒸汽式汽輪機在技術上獲得突破，燒結余熱發(fā)電技術已逐漸進入成熟階段，同時其在節(jié)能環(huán)保、減少污染排放、經(jīng)濟效益等方面的顯著優(yōu)勢使得其發(fā)展迅速。燒結余熱發(fā)電系統(tǒng)循采用希望森蘭高壓變頻器，不但操作方便、維護量小，而且有明顯的節(jié)能效果。通過變頻對風機（水泵）進行控制，再次實現(xiàn)節(jié)能項目中的設備節(jié)能，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。此次希望森蘭高壓變頻對燒結余熱回收循環(huán)風機改造的優(yōu)異表現(xiàn)得到了客戶的高度認可和一致好評，值得大力推廣。