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高压变频器在连云港北港镍业冶炼高炉鼓风机上的应用

高压变频器在连云港北港镍业冶炼高炉鼓风机上的应用

一、前言


        江苏连云港北港镍业股份有限公司总投资3.4亿元,年产10万吨镍铁合金、3.5万吨镍铁合金长型材和铸锻件,投产后年可实现销售收入10亿元,利税近3亿元。该厂工艺设备,计量测试,除尘环保,厂房和绿化水平具有当前国内同行业领先水平。


        现代生产镍的方法主要有火法和湿法两种。根据世界上主要两类含镍矿物(含镍的硫化矿和氧化矿)的不同,冶炼处理方法各异。含镍硫化矿目前主要采用火法处理,通过精矿焙烧反射炉(电炉或鼓风炉)冶炼铜镍硫吹炼镍精矿电解得金属镍。氧化矿主要是含镍红土矿,其品位低,适于湿法处理;主要方法有氨浸法和硫酸法两种。氧化矿的火法处理是镍铁法。现代生产镍的方法主要有火法和湿法两种。根据世界上主要两类含镍矿物(含镍的硫化矿和氧化矿)的不同,冶炼处理方法各异。含镍硫化矿目前主要采用火法处理,通过精矿焙烧反射炉(电炉或鼓风炉)冶炼铜镍硫吹炼镍精矿电解得金属镍。氧化矿主要是含镍红土矿,其品位低,适于湿法处理;主要方法有氨浸法和硫酸法两种。氧化矿的火法处理是镍铁法。


1、用户冶炼系统工艺要求简介

n  硫化镍精矿的冶炼其主要工艺如下:

        (1)熔炼。

                镍精矿经干燥脱硫后即送冶炼高炉熔炼,目的是使铜镍的氧化物转变为硫化物,产出低冰镍(铜镍锍),同时脉石造渣。所得到的低冰镍中。

        (2)低冰镍的吹炼。

                吹炼的目的是为了除去铁和一部分硫,得到含铜和镍70%-75%的高冰镍(镍高硫),而不是金属镍。转炉熔炼温度高于1230℃,由于低冰镍品位低,一般吹炼时间较长。

        (3)磨浮。

                高冰镍细磨、破碎后,用浮选和磁选分离,得到含镍67%-68%的镍精矿,同时选出铜精矿和铜镍合金分别回收铜和铂族金属。镍精矿经反射炉熔化得到硫化镍,再送电解精炼或经电炉(或反射炉)还原熔炼得粗镍再电解精炼。

        (4)电解精炼。

                粗镍中除含铜、钻外,还含有金、银和铂族元素,需电解精炼回收。与铜电解不同的是这里采用隔膜电解槽。用粗镍做阳极,阴极为镍始极片,电解液用硫酸盐溶液硫酸盐和氯化盐混合溶液。通电后,阴极析出镍,铂族元素进入阳极泥中,另行回收。


n  高炉鼓风机其主要工艺特点如下:


     ★ 高炉鼓风机是高炉最重要的动力设备,它不但直接提供高炉冶炼所需的氧气,而且提供克服高炉料柱阻力所需的气体动力。高炉冶炼要求鼓风机能供给一定量的空气,以保证燃烧一定的碳;其所需风量的大小不仅与炉容成正比,而且与高炉强化程度有关、一般按单位炉容2.1~2.5m3/min的风量配备。但实际上不少的高炉考虑到生产的发展,配备的风机能力都大于这一比例,因此一般采用入口风门、出口放风阀进行风量、风压控制,以及防止风机的喘振。


    ★ 高炉鼓风机的由于风门的损耗、风机的效率低、放风损耗巨大,因此采用高压变频器改造的节能空间巨大。但是由于高炉鼓风机作为高炉生产的关键设备,电动机功率容量大,要求保证持续工作,在高炉生产中的运行中断特别在出镍水时将造成灌渣事故,导致高炉堵炉、停产、焦比上升,造成较大的经济损失,因此目前对高炉鼓风机进行高压变频改造的极少,主要原因用户对高压变频器设备的运行可靠性的疑问。

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高炉外观图片


二、高炉鼓风机的变频改造方案


        高炉风机原有采用串水阻启动控制,通过风机入口风门和出口放风管风门进行风量风压调节。在经过严密的技术比较与技术应用考察后,现采用深圳市迈凯诺自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的HE1000系列高压变频器,对其一台高炉1600kW高炉鼓风机进行变频调速节能改造。


    1、 迈凯诺HE1000系列高压变频器技术特点


        深圳市迈凯诺提供的HE1000系列变频器除了具有一般厂家的高压变频器功能外,还有以下几方面的特点。

        1)具有较强的功能,能够满足不同工况

      HE1000系列高压变频器采用DSP系统与可编程系统巧妙的结合,控制系统高度集成化,设备器件主要采用进口器件,完成了比一般高压变频器的功能,具有300多个功能码,可以对启动特性、运行模式等功能根据现场工况进行不同设定。HE1000系列高压变频器具有标准的RS485接口,可以通过RS485通讯接口(采用标准通信协议)与DCS进行连接,也可以通过硬接线的方式与DCS系统进行连接。多种接口方式选择可以DCS系统很方便的对变频调速系统进行监控。也可以进行不同参数设置,满足现场其它各种不同工况。

2)全面的保护功能

     HE1000系列变频器的功率单元自身就有多达11种的故障保护;主控系统采用DSP+PFGA巧妙配合,电气部分对输出电压、输出电流、输入电压、输入电流都有全面检测,对变频器电源及电机都有过压、过流、过载、欠压、温度等具有多达二十几种超强综合保护功能,并且重要的保护定值可以根据现场不同的工况进行参数设定。内置雷击过流保护装置,有效提高设备保护功能和系统保护功能,完全能够保证电源及电机的安全运行。

3)全面的参数记录

    HE1000系列高压变频器显示多项运行参数过过程变量,包括每个模块的温度、母线电压都有检测与显示。具有故障、事故显示、记录功能,具有自诊断功能,所在信息可以通过通讯上传至DCS系统,异常时对变频器的状态都有全面的记录,以便现场人员更准确、更快捷地解决问题。

4)最大的电压、电流冗余量设计

    深圳市迈凯诺生产的HE1000系列高压变频器,以安全、可靠、使用寿命长为首要设计原则,采用1700V高压IGBT,9级或6级串联,电压裕量为2.0倍左右。功率器件电压安全设计冗余量较

5)电机转速自动跟踪功能

    HE1000系列高压变频器在主电源母线切换(10秒内)过程中,变频器能够自动跟踪电机的转速,当主电源恢复后变频器自动运行起来,保证了机组安全可靠运行。

6)功率模块自动旁路技术

    模块自动旁路技术提高了系统的稳定性,HE1000系列高压变频器采用功率模块自动旁路技术,可在1ms内旁路故障模块,变频器降额并可长期运行,等适当时候停机处理。

7)良好的电压波动适应能力

    HE1000系列高压变频器对电网电压在±15%范围内波动,变频器能满载输出;电网电压短时(30秒)下降至额定电压的65%时,可继续降额运行,不进行保护。

8)最有效的电磁干扰解决方案

    HE1000系列高压变频器在模块设计上,独家采用后进线、前出线设计方案;结构方面和电气方面全面考虑电磁抗干扰措施,尤其是核心的控制板件,最有效保证变频器的可靠运行。

9)合理的散热系统

    功率采用独立的散热风道,系统集中散热的方式,散热性能良好,满载长时间运行温升不超过25℃,良好的散热系统可以确保变频装置的高可靠性,并延长变频装置内部的器件使用寿命。

10)模块化设计

     HE1000系列变频器,遵循模块化设计理念,功率单元采用模块化结构,各个相同的功率单元的结构、配置完全相同,可以非常方便的互换,从而利于生产的标准化,以及维修的标准化。

11)最简洁操作、最快捷维护

      HE1000系列高压变频器具有人性化的接口设计、界面简洁清晰;操作方便,采用抽屉式模块设计,更换模块仅需5分钟;滤网更换方便、快捷。


    2、变频器配置

根据现场额定参数及实际要求的,结合我公司的HE1000系列高压变频器在其它工程地应用情况,我公司为其配置如下变频器,其主要地参数如下:


序号

项目

鼓风机

1

变频器型号

HE1000-1600G-T16

2

额定容量

1600kVA

3

额定电压

10KV

4

额定电流

112A

5

可配电机

普通异步电动机 1600kW/10KV

6

控制方式

一拖一自动



    3、变频器拖动方式

根据现场控制要求的,结合我公司的HE1000系列高压变频器在其它工程地应用情况,我公司为其提供的HE1000变频器的拖动方式采用一拖一自动方案,变频器具有转速跟踪功能,其一次系统如下图所示:

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HE1000系列高压变频系统图


        该方案有二套拖动控制方式,一套采用变频器控制,另一套在变频器故障后采用水阻起动控制,该方案严格按照“五防”联锁要求设计,变频器输入输出高压真空接触器3KM1、3KM2和水阻起动系统高压真空接触器1KM1、2KM1、2KM2互锁,无论采那一套控制方式,都切断另一套控制方式的电源,完全能够保证变频调速系统安全运行。变频器输入输出高压隔离开关3QS1、3QS2用于变频器维护过程中高压隔离。

n  自动旁路方案优点:

²  变频器输入、输出设计有隔离刀闸,便于变频器的维护与检修。

²  操作方便,可以就地操作,也可远程操作,易于实现自动控制。


    4、变频器控制方式

         (1)我方提供的HE1000变频器具有三种控制方式:


        ① DCS模拟量给定方式。

            通过值班电工根据该锅炉烟尘排量判断或通过远程自动检测锅炉烟尘排量,手动或自动调节频率给定信号,从而达到满足风机需要的风量和风压要求。

        ② 变频器设备可以通过远程的开关量做多段速控制方式。

            通过值班电工根据该锅炉烟尘排量判断或通过远程自动检测锅炉烟尘排量,手动调节远程的开关量信号, 从而达到满足风机需要的风量和风压要求。

   ③ 在本柜控制状态,在柜体上变频装置监控界面上能手动给定转数。其它远程控制给定方式无效。在远程控制状态下,本柜控制给定方式无效。

       现场采用远程操作台的监控计算机进行频率或转速给定。高压变频器变频运行时,用户可根据实际炼镍过程中的压力需求,在控制室对鼓风机的变频系统进行调整设定频率以满足工况需求。高炉鼓风机由于有风压要求,因此运行频率一般在40Hz以上,所以在控制系统设置下限频率30Hz,出现坐料可能喘振时依然采用放散阀控制,避免由于风量过小风机进入喘振区。


        (2).高压变频器具有远程和本机控制功能。

        本机控制时通过高压变频器控制柜上触摸屏可就地人工启动、停止高压变频器,可以调整电机转速、频率。远程控制放在控制室,设有操作台和上位机,由配电工操作控制。通过上位机配电工可以随时了解设备的运行情况,通过操作台可实现对高压变频器进行简单的远方操作。配电工可以根据工况自由选定高压变频器“手动/自动”调速运行。


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三、变频改造后的效益计算


        从流体力学的原理得知,使用感应电机驱动的风机,轴功率P与风量Q,风压H的关系为: 

        当电动机的转速由n1变化到n2时, Q、 H、 P与转速的关系如下:


        可见风量Q和电机的转速n是成正比关系的,而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80%的额定风量时,通过调节电机的转速至额定转速的80%,即调节频率到40Hz即可,这时所需功率将仅为原来的51.2%,系统工作点变化如下图所示:


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变频调速工作点示意图


        从上图的特性示意图来分析,采用变频调速的节能效果。在额定情况下,系统工作在A点,当所需风量从Q1减小到Q2时,如果工频运行,流量减小,系统压力将增加,系统将工作在B点。如果风机采用变频器进行调节,在系统风压满足要求时,系统将在C点运行,C点对应的X轴、Y轴的面积与B点对应的X轴、Y轴的面积之比即使变频消耗的功率与工频消耗的功率之比,同时还需考虑系统其它损耗。


节能效益计算如下:


        实测节能比较

        2009年12月06日在江苏连云港北港镍业股份有限公司冶炼高炉鼓风系统现场通过测量仪表进行测量数据如下表:



调节方式

输入电流

输入电压

输入功率因数

运行功率

日耗电量

阀门调节

82.23A

9970V

0.76

1079.16KW

25899.84度

变频调节

53.56

9970V

0.96

887.88KW

21309.12度



        测试结果表明,

        1600KW/10KV鼓风机在阀门调节和变频调节的节能比较如下表:



名称

数据

节电率

17.77%

日节能电量

4590.72度

年节能电量

137.72万度

年度节电效益

82.63万元



        可见,投入一台深圳市迈凯诺电气股份有限公司生产的HE1000系列高压变频器后,该项目全年节约电费均可达82万元左右。另外,由于深圳市迈凯诺电气股份有限公司生产的HE1000系列高压变频器功率因数可达0.95以上,大于电机功率因数0.89,减少大量无功。并且实现电机软启动,可避免因大电流启动冲击造成对电机绝缘的影响,减少电机维护量,节约检修维护费用,同时电机寿命大幅度延长。减轻了运行人员的劳动强度,深受运行人员和维修人员的欢迎。


四、变频改造总结


        根据我公司在各种现场的高压变频器的安装及使用情况,总结高压变频器改造有以下优点:

        1、安装简单,即将原高压开关柜与电动机之间插入安装高压变频器,对原有接线不改动。

        2.、操作使用方便,高压变频器操作只有简单的开机、停机和频率调整。

        3、能进行无级调速,调速范围广,且调速精度高,适用性强。

        4、保护功能完善,故障率低,鼓风机启动平稳,启动电流小,可靠性高。

        5、电动机不需长期高速运行,工作电流大幅度下降,节电效果显著。

        6、由于高压变频器取代了阀门调速,消除了机械及压力高故障率的缺陷,设备维护费用降低。

        7、电动机运行振动及噪声明显下降,轴承温度也有很大的下降。

        8、交流变频调速器,以适用性强、可靠性高、操作使用方便等性能,受到用户的欢迎。它应用在调速、节电、软启动方面,对企业有很大的实用价值。


五、结束语


        高压变频装置节能效果明显,采用变频调速后,实现了电机的软启动,延长电机的寿命,也减少了管道的振动与磨损;总之,采用了一套深圳迈凯诺电气股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的HE1000系列10kV/1600kW高压变频器调速装置在江苏连云港北港镍业股份有限公司冶炼高炉鼓风系统的调速改造中应用是相当成功的。该系列变频器的先进性、可靠性已得到许多工业应用的证实。