1、引言

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)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16%，廢水和固體廢棄物排放量分別占工業(yè)排放總量的15%和18%，是節(jié)能減排的重點(diǎn)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10%~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(jī)煙氣和冷卻機(jī)廢氣的形式排入大氣。由于燒結(jié)冷卻機(jī)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(jī)面積不斷的擴(kuò)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(jì)、制造的燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電機(jī)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(jī)尾部廢氣余熱，二是熱燒結(jié)礦在冷卻前空冷時(shí)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(diǎn)火爐的助燃空氣或用于預(yù)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(jī)組發(fā)電。

3、青島鋼鐵集團(tuán)2*240㎡燒結(jié)余熱發(fā)電工藝介紹

此次改造燒結(jié)余熱發(fā)電工程設(shè)計(jì)發(fā)電能力14000kW。由一臺30噸蒸汽量的雙壓余熱鍋爐和一臺15兆瓦補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組成。具體工藝流程見圖1。

圖1青島鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠燒結(jié)余熱發(fā)電工藝流程圖

圖2青島鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠燒結(jié)余熱余熱回收現(xiàn)場圖

通過引風(fēng)機(jī)將帶冷機(jī)1號、2號煙囪的煙氣引出，混合后進(jìn)入高效余熱鍋爐，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(jī)發(fā)電。但是在這個(gè)過程中引風(fēng)機(jī)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。此次燒結(jié)余熱發(fā)電配備循環(huán)風(fēng)機(jī)一臺，配套西安西瑪YPTKK630-6(10kV /1800kW)變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)一臺，啟動方式采用變頻啟動。引風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)增壓后返回環(huán)冷機(jī)風(fēng)池。既作為冷卻介質(zhì)冷卻燒結(jié)礦，同時(shí)提高環(huán)冷機(jī)排煙溫度。

燒結(jié)余熱發(fā)電是一項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)煤，從而促進(jìn)鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

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(gè)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(shí)，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(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)（水泵）低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，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(shí)電機(jī)功率

T——工作時(shí)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，選用了希望森蘭科技股份有限公司生產(chǎn)的SBH-100-1800高壓變頻器對循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，不但節(jié)約能源而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。

  表1   循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)：

型號

YPTKK630-6

額定電壓

10000V

額定電流

126.5A

額定功率

1800kW

額定頻率

50Hz

額定轉(zhuǎn)速

990r/min

功率因數(shù)

0.86

生產(chǎn)廠家

泰豪沈陽電機(jī)有限公司

表2   森蘭變頻SBH-100-1800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(fēng)機(jī)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，提供最佳性價(jià)比方案”的原則對系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，決定采用一拖一手動方案。其一次電路如圖3所示：

圖3  此項(xiàng)目高壓變頻一次電路

QS1，QS2，QS3為3個(gè)高壓隔離開關(guān)，要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖!QS1和QS2閉合，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行；QS1和QS2斷開，QS3閉合，風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。

圖4   森蘭高壓變頻在燒結(jié)余熱回收應(yīng)用現(xiàn)場圖

5.3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）電機(jī)拖動風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟起動，控制電機(jī)的啟動電流。變頻改造后降低啟動電流，減少對電網(wǎng)側(cè)的沖擊，提高繞組承受力，降低電機(jī)的維護(hù)成本，增長電機(jī)的壽命；同時(shí)大大減小了對風(fēng)機(jī)設(shè)備的沖擊，降低維護(hù)成本，延長風(fēng)機(jī)使用壽命。

（2）可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量滿足工藝生產(chǎn)；同時(shí)離心風(fēng)機(jī)是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，能耗是與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成立方比，從而達(dá)到節(jié)能效果。

（3）系統(tǒng)設(shè)有就地和遠(yuǎn)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(jìn)行操作或應(yīng)急處理；遠(yuǎn)方控制是在控制室內(nèi)進(jìn)行.在這種工作方式下，操作員通過DCS系統(tǒng)的頻率給定信號，調(diào)節(jié)變頻器，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。

（4）信息傳遞：變頻器可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)組DCS系統(tǒng)的雙向信息傳遞。變頻器可提供給DCS系統(tǒng)如下參量：輸出轉(zhuǎn)速、輸出電流等反饋信息，通過4～20mA電流源模擬量輸出；同時(shí)提供給DCS的開關(guān)量有：變頻器遠(yuǎn)程控制指示，就緒，運(yùn)行，輕故障，重故障指示狀態(tài)信息。變頻器接收的DCS的模擬量信號為頻率給定，開關(guān)量為遠(yuǎn)方啟/停、復(fù)位信號等。通過變頻器與DCS信號的交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及監(jiān)視變頻運(yùn)行各類數(shù)據(jù)功能，提高工藝生產(chǎn)自動化水平。

（5）完備的保護(hù)功能：過流，過壓，欠壓，輸入輸出缺相，輸出短路，輸出接地，變頻過熱，電機(jī)過載，失速防止，電機(jī)過熱等保護(hù)。

（6）系統(tǒng)的變頻風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻供電和電網(wǎng)供電相互切換運(yùn)行，可手動切換，當(dāng)變頻器發(fā)生異常后，風(fēng)機(jī)仍需要運(yùn)行，這時(shí)可將電機(jī)切換到工頻電網(wǎng)起動，增加風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

6、現(xiàn)場應(yīng)用及節(jié)能效果

（1）現(xiàn)場應(yīng)用情況

此燒結(jié)余熱發(fā)電項(xiàng)目自投產(chǎn)以來運(yùn)行良好。由于余熱發(fā)電項(xiàng)目是余熱回收實(shí)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(fēng)鼓風(fēng)量與引風(fēng)量有個(gè)良好的匹配問題。在這個(gè)問題上循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器發(fā)揮了重要作用。通過變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)冷卻機(jī)的鼓風(fēng)量，使燒結(jié)礦冷卻效果良好同時(shí)又使發(fā)電量最大化。

（2）節(jié)能效果

在正常生產(chǎn)情況下，本臺循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行頻率在25-35Hz,高壓側(cè)輸入電流在45-70A。與同功率電機(jī)工頻運(yùn)行狀況比較，變頻改造后循環(huán)風(fēng)機(jī)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(bǔ)汽蒸汽式汽輪機(jī)在技術(shù)上獲得突破，燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)已逐漸進(jìn)入成熟階段，同時(shí)其在節(jié)能環(huán)保、減少污染排放、經(jīng)濟(jì)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)循采用希望森蘭高壓變頻器，不但操作方便、維護(hù)量小，而且有明顯的節(jié)能效果。通過變頻對風(fēng)機(jī)（水泵）進(jìn)行控制，再次實(shí)現(xiàn)節(jié)能項(xiàng)目中的設(shè)備節(jié)能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。此次希望森蘭高壓變頻對燒結(jié)余熱回收循環(huán)風(fēng)機(jī)改造的優(yōu)異表現(xiàn)得到了客戶的高度認(rèn)可和一致好評，值得大力推廣。