1引言

電解鋁生產(chǎn)過程中排出的煙氣含有有害物質(zhì)，其中主要為氟化物和氧化鋁粉塵，為了防止這些有害物質(zhì)造成的污染，需將這些有害氣體和粉塵集中進(jìn)行凈化處理，使煙氣中的有害物質(zhì)排放量達(dá)到國家要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。

電解鋁廠排煙風(fēng)機(jī)是電解鋁凈化系統(tǒng)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其電能消耗占系統(tǒng)動力消耗的50%以上。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)通過改變風(fēng)門擋板改變風(fēng)量，采用變頻調(diào)速技術(shù)，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排風(fēng)量比傳統(tǒng)的改變風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)技術(shù)更快和更精確，還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動，減少對電網(wǎng)的沖擊，并達(dá)到節(jié)約電能的目的。為降低單位產(chǎn)能的耗電量，提高生產(chǎn)效率，實(shí)施節(jié)能改造勢在必行。

2用戶設(shè)備介紹

廣西信發(fā)鋁電有限公司是山東信發(fā)集團(tuán)實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，在廣西百色靖西投資興建的一家集發(fā)電、礦山、氧化鋁、碳素、鋁深加工等產(chǎn)業(yè)于一體的現(xiàn)代化企業(yè)。集團(tuán)總公司山東信發(fā)集團(tuán)始建于1972年，廣西信發(fā)鋁電有限公司一期工程包括3×155MW發(fā)電機(jī)組、160萬噸氧化鋁、16萬噸電解鋁礦山的選礦、洗礦等輔助工程。

廣西信發(fā)鋁電有限公司電解鋁廠的排煙系統(tǒng)配置4臺風(fēng)機(jī)，采用兩用兩備。排煙風(fēng)機(jī)作用是使電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)布袋除塵器內(nèi)形成負(fù)壓，利于電解鋁煙氣的凈化、分離，凈化后氣體通過煙囪排空，啟動時對電網(wǎng)沖擊較大，通過排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門（擋板）調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門（調(diào)節(jié)擋板）開度在60%～70%左右，約有30%～40%能量都被消耗在擋板上，由于擋板故障率高，調(diào)節(jié)延遲，加之擋板節(jié)流產(chǎn)生壓力損失、增加管網(wǎng)的損耗，耗用大量的能源，不能適應(yīng)復(fù)雜工況下工藝的實(shí)際需要，造成大馬拉小車，嚴(yán)重浪費(fèi)能源。因此對排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻技術(shù)改造，對降低排煙風(fēng)機(jī)用電量，提高經(jīng)濟(jì)效益起到重要作用。

為了降低排煙風(fēng)機(jī)的用電，提高煙氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行效率，信發(fā)鋁電公司電解鋁廠領(lǐng)導(dǎo)決定在排煙風(fēng)機(jī)上采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的2套800kW/10kV高壓變頻器對1#～4#排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速改造，改造取得了成功。排煙風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)如下。

現(xiàn)場1#～4#排煙風(fēng)機(jī)型號相同，以1#排煙風(fēng)機(jī)為例介紹其參數(shù)。

3風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

2007年9月，風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號，山東新風(fēng)光是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)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(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)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(jī)。

3.1JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)

JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

3.2JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)性能

具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。

(2)飛車啟動功能。能夠識別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。

(3)完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)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(yīng)于無備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。

(4)旋轉(zhuǎn)中再啟動功能。運(yùn)行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動運(yùn)行到掉電前的頻率。

(5)線電壓自動均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。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(shù)通過調(diào)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。

(6)單元直流電壓檢測：實(shí)時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)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(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。

(7)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。

(8)具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)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(hù)功能，將會導(dǎo)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(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。

(9)限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)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(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù)。

(10)故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變造成單元或是整機(jī)過電流保護(hù)時，可自動復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。

4排煙風(fēng)機(jī)變頻控制原理

根據(jù)生產(chǎn)需要，煙氣凈化系統(tǒng)裝置運(yùn)行正常時，總管壓力要保持在一定的負(fù)壓，才能滿足生產(chǎn)線正常的需求。下面就以總管煙氣壓力控制來說明本系統(tǒng)的控制原理與實(shí)現(xiàn)過程。

圖1排煙機(jī)變頻控制原理圖

如圖1所示，檢測排總管煙氣壓力，因?yàn)楫?dāng)布袋除塵器內(nèi)外壓差太大時，其中的煙氣沒有被除掉，就被直接吸出，影響凈化效果。為了保證煙氣凈化過程順暢進(jìn)行，DCS接受壓力變送器傳輸過來的壓力信號，按照既定算法進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)壓力差超過系統(tǒng)設(shè)定值時，DCS發(fā)出4～20mA或0～5V的信號來降低變頻器的頻率，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行來降低總管煙氣壓力到目標(biāo)值；當(dāng)壓力差低于系統(tǒng)設(shè)定值時，DCS發(fā)出4～20mA或0～5V的信號來升高變頻器的頻率，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)升速運(yùn)行來升高總管煙氣壓力到目標(biāo)值。當(dāng)然，也可以人工操作DCS，來調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。操作更加方便，這樣提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時，變頻器可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)組DCS系統(tǒng)的信息傳遞，可完成自診斷、報(bào)警和接收指令的功能。

5變頻改造主回路介紹

電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)采用四臺離心風(fēng)機(jī)，這四臺排風(fēng)機(jī)采用兩用兩備。本系統(tǒng)選用兩臺山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-800F型高壓變頻器，采用一拖二手動旁路方案。一臺變頻器拖動兩臺電機(jī)；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時可以切換到工頻運(yùn)行；并且變頻器旁路部分具有互鎖功能，確保兩臺電機(jī)不出現(xiàn)同時驅(qū)動，同一電機(jī)不出現(xiàn)變頻、工頻同時驅(qū)動。

電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)變頻改造采用1#、2#排風(fēng)機(jī)共用一套高壓變頻器，3#、4#排風(fēng)機(jī)共用一套高壓變頻器。以1#、2#排風(fēng)機(jī)為例說明其控制思路，其一次系統(tǒng)接線圖路如圖2所示，通過切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器切換到要運(yùn)行的排風(fēng)機(jī)上去。如圖所示高壓變頻器可以拖動1#排風(fēng)機(jī)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行，也可以通過切換拖動2#排風(fēng)機(jī)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。兩排風(fēng)機(jī)電動機(jī)均具備工頻旁路功能。

圖2高壓變頻一次系統(tǒng)接線圖

QF1和QF2分別為現(xiàn)場1#和2#排風(fēng)機(jī)電源高壓斷路器；

QS11和QS21分別為1#、2#排風(fēng)機(jī)電源高壓隔離開關(guān)；

QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)；

變頻器為風(fēng)光JD-BP38-800F高壓變頻器。

高壓變頻器旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關(guān)，變頻器運(yùn)行時，要求QS11和QS21同時閉合。QS12閉合，QS22斷開，QS13斷開，1#排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行；QS12斷開，QS13閉合，1#排風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行；QS22閉合，QS12斷開，QS23斷開，2#排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行；QS22斷開，QS23閉合，2#排風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行；其中，QS12與QS13、QS22實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，QS22與QS23、QS12實(shí)現(xiàn)電氣互鎖；將控制柜“遠(yuǎn)控/本控”開關(guān)打至“遠(yuǎn)控”位置，將相應(yīng)排風(fēng)機(jī)斷路器“就地/遠(yuǎn)方”開關(guān)打至“遠(yuǎn)方”位置，可實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)控操作。

6排煙風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能情況

6.1變頻節(jié)能分析

電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)兩臺高壓變頻器于2012年7月3日一次正式投入運(yùn)行，至今運(yùn)行正常。排煙風(fēng)機(jī)高壓變頻器現(xiàn)場運(yùn)行如圖3所示。變頻運(yùn)行后，風(fēng)門全部打開，根據(jù)電解鋁煙氣量的大小，隨時調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小，滿足生產(chǎn)收塵的負(fù)壓要求，而且現(xiàn)場人員操作非常方便。

圖3高壓變頻器現(xiàn)場運(yùn)行圖

以1#排風(fēng)機(jī)為例計(jì)算變頻改造后節(jié)能效果。

（1）1#排風(fēng)機(jī)工頻時消耗的功率P工頻計(jì)算：輸入電壓10.4kV，功率因數(shù)：0.86，實(shí)際工作電流：49A，P工頻=1.732×I×U×COSФ=1.732×49A×10.4kV×0.86=759kW。

（2）1#排風(fēng)機(jī)變頻時消耗的功率P變頻計(jì)算：運(yùn)行頻率：42Hz，輸入電壓10.4kV，功率因數(shù)：0.96，輸入電流：33.4A，

P變頻=1.732×I×U×COSФ=1.732×33.4A×10.4kV×0.96=578kW。

變頻后相對于工頻擋板調(diào)節(jié)時節(jié)省的電量為：ΔP=P工頻-P變頻=759kW-578kW=181kW。

1#排風(fēng)機(jī)變頻前后節(jié)電率為：η=（ΔP/P工頻）×100%=（181kW/759kW）×100%=23.8%。

1#排風(fēng)機(jī)年運(yùn)行按300天計(jì)算，電價按0.4元計(jì)算，1#排風(fēng)機(jī)變頻改造后一年可節(jié)約的電費(fèi)：（P工頻-P變頻）×24h×300d×0.4元/kW•h=521280元。兩臺高壓變頻器一年可節(jié)省電費(fèi)約100萬元。

6.2其他效益

(1)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的軟啟動、軟停止。避免了啟動時對設(shè)備的電氣和機(jī)械沖擊，使風(fēng)機(jī)啟動平穩(wěn)。

(2)運(yùn)行工況改善，工人勞動強(qiáng)度降低。

隨著電解鋁凈化系統(tǒng)除塵的需要，調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，滿足除塵生產(chǎn)工藝的需要，現(xiàn)場工作環(huán)境大為改善，工作強(qiáng)度大大降低。

(3)延長了電機(jī)、風(fēng)機(jī)的使用壽命，提高了風(fēng)機(jī)的利用效率。原排煙風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，維護(hù)工作量大，檢修費(fèi)用高，采用變頻技術(shù)調(diào)速后，減少了機(jī)械磨損，保證了風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

(4)調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高。

排煙風(fēng)機(jī)的風(fēng)量經(jīng)常需要根據(jù)電解鋁產(chǎn)生煙氣多少進(jìn)行調(diào)節(jié)，在過去擋板調(diào)節(jié)時，出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開度與流量的非線形問題，致使調(diào)節(jié)失誤，采用變頻拖動風(fēng)機(jī)可以在0～50Hz范圍內(nèi)任意調(diào)速，調(diào)速精度高，可保持在0.1～0.01Hz范圍內(nèi)工作，易于實(shí)現(xiàn)煙氣凈化系統(tǒng)自動化控制。

(5)變頻器具有多項(xiàng)保護(hù)功能，十分完善。

與原系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)功能，更精確地保護(hù)了電機(jī)。

7結(jié)束語

綜合看來，1#～4#電解鋁煙氣凈化排風(fēng)機(jī)采用高壓變頻器進(jìn)行改造，大大提高廣西信發(fā)鋁電有限公司煙氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低了電解鋁的生產(chǎn)成本，對保證電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著重要的作用。