1引言

　　鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，能源消耗量約占全國工業(yè)總能耗的15%，廢水和固體廢棄物排放量分別占工業(yè)排放總量的14%和17%，是節(jié)能減排的重點行業(yè)。在鋼鐵企業(yè)中，燒結(jié)工序能耗僅次于煉鐵工序，占總能耗的9%~12%，節(jié)能潛力很大。在燒結(jié)工序總能耗中，有近50％的熱能以燒結(jié)機煙氣和冷卻機廢氣的形式排入大氣。由于燒結(jié)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(shù)的局限，燒結(jié)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(jié)機面積不斷的擴大，燒結(jié)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(guān)注。國內(nèi)自主設(shè)計、制造的燒結(jié)機余熱發(fā)電機組也發(fā)展起來。

2燒結(jié)余熱循環(huán)利用介紹

　　 燒結(jié)余熱回收主要有兩部分：一是燒結(jié)機尾部廢氣余熱，二是熱燒結(jié)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(jié)總耗能的50%，充分利用這部分熱量是提高燒結(jié)能源利用效率，顯著降低燒結(jié)工序能耗的途徑之一。

　　目前，國內(nèi)燒結(jié)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(qū)動汽輪機組發(fā)電。

3濟鋼400㎡燒結(jié)余熱發(fā)電工藝介紹

　　濟鋼煉鐵廠燒結(jié)余熱發(fā)電工程設(shè)計發(fā)電能力14000kW。由一臺Q334（272）/450（330）-55.5(14)-2.35(0.3)/400（210）雙壓余熱鍋爐和一臺BN14-2.25/（0.3）+QF-W15-2補汽凝汽式汽輪發(fā)電機組成。具體工藝流程見圖1。

圖1 濟鋼煉鐵廠燒結(jié)余熱發(fā)電工藝流程圖

　　通過引風機將帶冷機1號、2號煙囪的煙氣引出，混合后進入有效余熱鍋爐，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。濟鋼400㎡燒結(jié)余熱發(fā)電配備循環(huán)風機(使用沈陽鼓風機廠F32型鼓風機)一臺，配套西安西瑪YJTKK7105-6(10kV /1600kW)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(zhì)冷卻燒結(jié)礦，同時提高環(huán)冷機排煙溫度。

　　燒結(jié)余熱發(fā)電是一項將燒結(jié)廢氣余熱資源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ墓?jié)能技術(shù)。該技術(shù)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(jié)工序的能源利用效率，平均每噸燒結(jié)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風機水泵類負載節(jié)能分析

　　一般異步電動機的同步轉(zhuǎn)速為：n1＝60f/p

　　而異步電動機轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個滑差關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速是異步電動機的較為合理的調(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(zhuǎn)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較主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)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(zhuǎn)速n成正比；

　　　　　　　　　　　　　 H1/H2＝(n1/n2)2 輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；

　　　　　　　　　　　　　 P1/P2＝(n1/n2)3輸出軸功率P與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為：

　　E=〔1-( n′/n) 3〕×P×T (kW·h)

　　式中： n——額定轉(zhuǎn)速

　　　　　 n′—— 實際轉(zhuǎn)速

　　　　　 P——額定轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)論證，并且對目前高壓變頻器市場充分考查后，選用了山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1600F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(shè)備運行性能。

　　表1   循環(huán)風機電機參數(shù)：

　　表2   山東新風光JD-BP38-1600F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)：

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(jié)構(gòu)合理，提供較佳性價比方案”的原則對系統(tǒng)進行方案設(shè)計，決定采用一拖一手動方案。其一次電路如圖2所示：

圖2  高壓變頻系統(tǒng)一次接線圖

　　QF為用戶原高壓開關(guān)；

　　K1、K2和K3為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)；

　　BPQ為風光JD-BP38-1600F高壓變頻器；

　　M為高壓電動機。

　　變頻器控制風機為一拖一控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。K1，K2和K3為3個高壓隔離開關(guān)，要求K2和K3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖的同時實現(xiàn)電磁互鎖。K2斷開，K1和K3閉合，風機變頻運行；K1和K3斷開，K2閉合，風機工頻運行。

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)軟起動和軟停止。

　?。?）可實現(xiàn)線性調(diào)速，可以根據(jù)生產(chǎn)需要線性調(diào)節(jié)風機風量。

　?。?）調(diào)速區(qū)段內(nèi)的設(shè)備調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制由機組DCS完成，DCS負責采集模擬量、開關(guān)量等信號，變頻器輸出的模擬量、開關(guān)量信號全部進入DCS系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，同時實現(xiàn)相關(guān)輔機聯(lián)鎖功能等。

　　（4）系統(tǒng)設(shè)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，分為兩種工作方式：一種為遠方手動方式，在這種工作方式下，操作員通過DCS系統(tǒng)的CRT手動給定信號，調(diào)節(jié)變頻器，改變電機轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)風量的目的；一種方式為遠方自動方式，在這種工作方式下，轉(zhuǎn)速給定是在DCS系統(tǒng)中根據(jù)工況運用相關(guān)算法進行運算，得出相應風壓值，轉(zhuǎn)換成對應頻率值，輸出給變頻器，調(diào)節(jié)風機的速度，使系統(tǒng)參數(shù)跟隨給定值變化，從而達到自動調(diào)節(jié)風量的目的。

　?。?）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，可完成自診斷、報警和接收指令的功能。變頻器可提供給DCS系統(tǒng)如下參量：輸出轉(zhuǎn)速、輸出電流、變頻器溫度等反饋信息，通過4～20mA電流源模擬量輸出。提供的開關(guān)量有：變頻器報警及故障信息、啟停狀態(tài)信息、高壓開關(guān)控制信號（高壓合閘允許、高壓開關(guān)緊急分斷）等。變頻器接收的DCS的模擬量信號為遠控轉(zhuǎn)速給定，開關(guān)量為遠方啟/停、高壓就緒信號等。

　?。?）完備的保護功能：變頻器內(nèi)保護配置齊全，有運行中開門、冷卻風扇停運、變頻器過熱、輸入電壓過低、負載超速、功率單元異常等各種類型報警檢測功能，并完全具備對自身及電機的保護功能。

　　（7）安全運行保障：

　　a 機組運行過程中，由于各種原因發(fā)生廠用電切換，會造成控制電源消失，變頻器兩路電源可自動切換。

　　b 當變頻器出現(xiàn)單元故障，變頻器可將故障單元旁路，并進行“星點漂移”，避免不必要的停機。

　　c 當變頻器整體故障或控制電源消失或按下緊急停機按鈕時，高壓變頻器高壓開關(guān)跳閘，切斷電源，同時參與聯(lián)鎖。

　　（8）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。

　?。?）變頻風機具有互鎖功能，確保同一電機不出現(xiàn)變頻、工頻同時驅(qū)動，具有完善的保護、報警功能（包括信號檢測系統(tǒng)在內(nèi)）。

6現(xiàn)場應用及節(jié)能效果

　　（1）現(xiàn)場應用情況

　　濟鋼燒結(jié)余熱發(fā)電自2010年7月份投產(chǎn)以來運行良好。由于余熱發(fā)電項目是余熱回收現(xiàn)效益最大化，但在生產(chǎn)過程中首先保證燒結(jié)礦的冷卻質(zhì)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(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)冷卻機的鼓風量，使燒結(jié)礦冷卻效果良好同時又使發(fā)電量最大化。

　?。?）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20-30Hz,高壓側(cè)輸入電流在45-70A。與同功率電機運行狀況比較循環(huán)風機節(jié)能效率大約為38%，節(jié)能效果十分明顯。

7結(jié)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(shù)上獲得突破，燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)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(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)風機電機采用JD-BP38-1600F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(shè)備節(jié)能，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，值得大力推廣。