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    電爐煤氣凈化羅茨風機的變頻改造應用

    電爐煤氣凈化羅茨風機的變頻改造應用

    錳冶煉廠采用羅茨風機作為電爐煙氣凈化系統的煤氣壓縮設備,目前的控制方式為電機工頻運行,采用羅茨風機的出口閥門調節,將電爐爐膛壓力控制在要求范圍內。此操作方式存在閥門易損、電能浪費等缺點,為此在項目調研的基礎上提供整體解決方案,進行變頻及自動控制系統的改造。

    22.項1項目目概概述述及需求分析
    遼寧錦州某金屬公司現有三套20MVA的電爐用于錳冶煉,電爐所產煙氣通過濕法工藝進行凈化后,實現煤氣回收利用。
    煤氣凈化及存儲工藝流程如圖1所示,電爐高溫煙氣通過凈化塔進行冷卻降溫、噴淋洗滌、除塵、脫水處理,凈化后的煤氣通過羅茨風機壓縮升壓,送往煤氣柜進行儲存。洗滌循環水經除泥處理后循環利用,部分污水處理后排放。
    羅茨風機出口設置有回流閥,通過控制閥門開度調節凈化系統總風力,進而控制電爐爐膛壓力在工藝要求范圍內;出口同時設置有點火器,當出現緊急情況時進行放散點火,確保系統安全。
    電爐在生產過程中,要求爐膛保持在微負壓狀態;如果出現正壓力,則可能導致膛內煙、火外冒;如果負壓力過低,則可能從爐外吸入過多空氣,煤氣與氧氣燃燒,會導致煙氣溫度升高,并且降低煤氣使用價值。爐膛壓力過高或過低(正常范圍-10Pa~5Pa)都存在安全隱患,所以必須進行嚴格的控制[1]。
    煤氣凈化工段的羅茨風機是電爐冶煉生產中的關鍵設備,羅茨風機吸入氣體的流量及壓力直接影響凈化塔的入口總吸力,進而影響電爐的爐膛壓力?,F場配套三組煙氣凈化系統,每組采用一用一備的工作方式,共六臺羅茨風機,配置相同。選用天津鼓風機公司的ML系列臥式直聯羅茨風機,進氣流量:78.0~478.1m3/min;升壓:9.8~68.6kPa。配套三相異步電機,電壓380V,功率220kW,電流392A,轉速985rpm。煤氣凈化羅茨
    風機工況圖如圖2所示。
    2.2原系統存在問題
    現場電機運行方式為采用ABB軟啟動器實現軟啟動,軟啟動器帶有旁路接觸器,啟動完成后自動切換至工頻旁路運行。羅茨風機控制方法為在操作室人工觀察爐膛壓力的儀表顯示信號,并通過電動回流閥的手操器,手動調節閥門開度。當爐膛壓力過高時,需增加風機吸力,此時減小回流閥開度;當爐膛壓力過低時,需減小風機吸力,此時加大回流閥開度。以此保證凈化系統氣體壓力的穩定,維持爐膛壓力在安全范圍內。煤氣凈化人工控制方法如圖3所示。
    該方式主要存在以下弊端:
    (1)煙氣凈化采用濕法工藝,煤氣中包含水汽,加大對閥門的沖擊損耗,大大縮短閥門的使用壽命;既增加維護工作量,而且降低生產效率,此點為本項目主要改造訴求。
    (2)系統運行時回流閥的開度常在15%~40%范圍調節,存在節流損耗,增加了設備電耗。
    (3)電機一直處于工頻滿負荷運行狀態,加大電機溫升,也將縮短電機的使用壽命。
    (4)需配備監控操作工,依據工人觀察進行調節,既增加生產人員的工作量,操作過程也存在滯后。

    圖3煤氣凈化人工控制方法
    2.3技術需求
    (1)將原有的工頻運行改為變頻運行方式,依據工況直接對電機調速,回流閥全部打開,既避免閥門損耗,也實現節能降耗。
    增加PLC控制系統,依據壓力信號自動設置輸出頻率,實現爐膛壓力自動調節。
    (3)在原有操作面板上增加手動頻率給定功能,作為備用操作,要求手動調節優先級高于自動調節方式。
    (4)在現行的一樓配電室和二樓控制室進行工程改造;將配電室原有的三臺軟啟動柜置換為變頻器柜,因空間限制,要求柜體寬度不變,深度可適當增加。二樓控制室新增一面PLC控制箱,并對原有的操作面板進行改造。

    33.改1自造動方控案制變頻調速方案
    針對以上問題,在深入生產現場工段調查的基礎上,確定變頻調速改造方案:新增羅茨風機變頻器,引入電爐爐膛壓力信號、凈化爐前總吸力信號至PLC,自動調節變頻器的輸出頻率,以實現爐膛的恒壓控制;回流閥作為備用調節裝置,正常運行時管道的回流支路關斷;既可以滿足生產要求還可以實現節能降耗。煤氣凈化自動控制方法如圖4所示。

    圖4煤氣凈化自動控制方法
    3.2風機自動控制系統設計
    羅茨風機自動控制實現方法如圖5所示,由PLC自控系統、變頻器、壓力變送器組成壓力閉環控制系統,接入爐膛壓力和煤氣在進入凈化塔前總吸力兩個模擬量信號,反饋壓力與設定壓力進行比較,依據工藝要求綜合分析運算,實時控制變頻器的輸出量,自動調節電機轉速,使爐膛壓力保持在設計范圍之內,以滿足生產工藝的實際需求。

    圖5羅茨風機改造控制方塊圖
    通過控制室原操作面板的兩個備用按鈕,實現頻率加
    /減輸入,作為手動給定功能;當自動控制系統出現偏差時可以通過手動操作進行頻率調節,并具有高優先級,保證生產的安全性。
    動統力配系置統及方功案能
    該變頻驅動系統的電氣原理圖(單組)如圖6所示。

    圖6動力系統電氣原理圖
    (QS表示隔離開關,FU表示熔斷器,BP表示低壓變頻器,M表示電動機。)
    4.2設備技術參數及功能介紹
    羅茨機屬于恒轉矩負載,本項目選用具備恒轉矩調節功能的ABB低壓變頻器,型號ACS580,額定電流505A,相比于傳統的變轉矩風機選型容量加大一檔配置,以滿足恒轉矩負載的啟動特性;并內置有PID調節功能和通訊信號接口。
    變頻器可以通過PLC控制自動給定、或通過面板按鈕手動給定,實現羅茨風機的速度調節。
    自動給定信號通過通訊信號提供,由自動控制操作箱中的PLC通過Modbus串口通訊給定。操作箱放置于控制室,內置西門子S7-200SMART型號PLC,接入爐膛壓力和煤氣在進入凈化塔前總吸力的模擬量AI信號,組成壓力閉環控制系統,自動調節電機轉速。操作箱至變頻器之間通訊電纜敷設距離230米,串行通訊能力完全滿足要求。
    手動給定信號通過原操作面板的兩個備用按鈕控制,該兩個數字量DI信號接入PLC,通過程序實現頻率加/減功能,實現手動頻率調節。在PLC程序中設置手動給定的優先級高于自動給定功能。

    55.項1應目用應效用果效果
    爐膛壓力原有范圍要求是-10Pa~5Pa,通過變頻調速自動控制運行后,調節效果良好;經過和用戶協商將工藝要求優化為-10Pa~0Pa的恒定微負壓,進一步改善電爐的運行性能。如圖7所示,隨機截取兩段儀表數據,爐內壓力分別為-1.35Pa和-3Pa,維持在微負壓狀態。
    羅茨風機是容積式風機的一種。它由一個類似橢圓形的機殼與兩塊墻板包容成一個氣缸,一對彼此相互“嚙合”的葉輪,兩個葉輪等速相向旋轉,在旋轉過程中把兩個葉片之間的空氣擠壓出來,將氣缸內的氣體從進氣口源源不斷地推移到出氣口,這就是羅茨風機的整個工作過程。羅茨風機的特殊結構設計,決定了其風壓在一定的流量范圍內是近似恒定的,不論轉速變化如何其風壓可以保持不變
    [2]。
    經過改造后,由變頻器改變電機頻率達到無級變速,起到調節風量的效果。而風量則與風機轉速成正比的,即Q=kN。
    其中:Q——風量;N——風機轉速;k——系數。羅茨風機作為恒轉矩負載,其節電率與轉速降近似成
    正比即△P%≈△N%。
    其中:P——功率;N——風機轉速。
    根據現場應用觀察,正常運行周期內,風機的頻率范圍通常在28Hz~42Hz,最常見是在32Hz~40Hz左右,總計可以獲25%左右的節能效果。
    不論是從節能降耗、降低維護工作量等直接受益,還是從優化生產工藝,延長電機等設備的使用壽命,改善電網環境等間接受益來說,羅茨風機的變頻改造都具有明顯的應用優勢和積極意義。


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