1、引言
電解鋁生產(chǎn)過程中排出的煙氣含有大量有害物質(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，其電能消耗占凈化系統(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、包頭希鋁簡介
東方希望包頭稀土鋁業(yè)有限責(zé)任公司（簡稱包頭希鋁）是東方希望集團(tuán)2002年在包頭投資建設(shè)的大型鋁電一體化項(xiàng)目，是內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)企業(yè)，全國光彩事業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目，內(nèi)蒙古自治區(qū)級循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)。
包頭希鋁于2002年10月28日開工，計(jì)劃建設(shè)總規(guī)模100萬噸鋁和2720兆瓦發(fā)電廠，已建成規(guī)模年產(chǎn)88萬噸鋁和1320兆瓦自備電廠。其中，一期工程年產(chǎn)25萬噸鋁、配套建設(shè)310兆瓦的電廠（2臺155兆瓦機(jī)組），二期工程50萬噸鋁、配套建設(shè)1010兆瓦的電廠（2臺155兆瓦機(jī)組和2臺350兆瓦機(jī)組）。
圖1東方希望包頭鋁業(yè)廠區(qū)大門
鋁廠采用了國內(nèi)和國際多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)居國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平，是一個高起點(diǎn)、大容量、低污染的大型現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)。
鋁廠采用國內(nèi)先進(jìn)的320KA和450KA大型預(yù)焙電解槽，煙氣凈化采用成熟的氧化鋁干法凈化、布袋除塵工藝，設(shè)計(jì)氟化物凈化效率98%以上，粉塵凈化效率達(dá)99%以上。噸鋁氟鹽的消耗量僅為16千克，優(yōu)于23千克/噸鋁的行業(yè)平均水平。粉塵排放量僅為1.68千克，處于行業(yè)先進(jìn)水平。噸鋁綜合交流電耗低于行業(yè)平均水平近800度/噸鋁（《中國鋁業(yè)》雜志公布的2009年電解鋁行業(yè)噸鋁綜合交流電耗平均為： 14171 KWH。噸鋁產(chǎn)能占地1.5m2，是全國平均水平的1/20。公司是國內(nèi)少數(shù)采用國際先進(jìn)水平的電解槽集中大修工藝技術(shù)的鋁電解系列。
3、此次變頻改造工藝設(shè)備情況
此次變頻改造設(shè)備是東方希望包頭希鋁電解鋁廠第一期年產(chǎn)八萬頓電解鋁的排煙系統(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。改造之前主要問題: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，包頭希鋁公司電解鋁廠領(lǐng)導(dǎo)決定在排煙風(fēng)機(jī)上采用希望森蘭科技股份有限公司生產(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。
圖2 電解鋁工藝
4、風(fēng)機(jī)負(fù)載節(jié)能分析
一般異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為：n1＝60f/p ,而異步電動機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變f、p、s可以達(dá)到。
針對某一電動機(jī)而言p是一定的，而通過改變s進(jìn)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(jī)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學(xué)相似定律： Q1/Q2＝n1/n2輸出風(fēng)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(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量（水泵流量）需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)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(fēng)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(dāng)風(fēng)機(jī)（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(shí)際轉(zhuǎn)速
P——額定轉(zhuǎn)速時電機(jī)功率
T——工作時間
可見，通過變頻對風(fēng)機(jī)（水泵）進(jìn)行控制，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)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，最終選用了希望森蘭科技股份有限公司生產(chǎn)的SBH-100-800高壓變頻器對排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。
表1 排煙風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)：
型號 | YKK560-8 | 額定電壓 | 10000V | 額定電流 | 54.0A |
額定功率 | 710kW | 額定頻率 | 50Hz | 額定轉(zhuǎn)速 | 745r/min |
功率因數(shù) | 0.81 | ||||
生產(chǎn)廠家 | 西安電機(jī)廠 | ||||
表2 森蘭變頻SBH-100-800高壓變頻器技術(shù)參數(shù)：
變頻器容量（kW） | 800 | 模擬量輸入 | 0～10V/4～20mA可選 | ||||||||||
適配電機(jī)功率（kW） | 800 | 模擬量輸出 | 0～10V/4～20mA可選 | ||||||||||
額定輸出電流（A） | 60 | 加減速時間 | 0.1～3600S | ||||||||||
額定輸入電壓（V） | 10000V（－20%～+15%） | 運(yùn)行環(huán)境溫度 | -10～40度 | ||||||||||
輸入功率因數(shù) | >0.96 | 通訊 | 內(nèi)置RS485，支持Modbus-RTU以及Profibus-DP協(xié)議 | ||||||||||
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