关键词：变频调速；节能改造；罗茨风机；烟气净化
Abstract: The electric furnace gas is purified and compressed by Roots blower. The blower is now regulated by a valve，after the transformation of VFD and automatic control, has the advantages of automatic regulation, energy saving, high production efficiency, etc. The effect is remarkable, has the promotion significance.
Key words: Variable frequency drive(VFD); Energy-saving reformation; Roots blower; Gas purification
【中图分类号】TN830.2 【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330（2018）04-0000-00
1 引言
锰冶炼厂采用罗茨风机作为电炉烟气净化系统的煤气压缩设备，目前的控制方式为电机工频运行，采用罗茨风机的出口阀门调节，将电炉炉膛压力控制在要求范围内。此操作方式存在阀门易损、电能浪费等缺点，为此在项目调研的基础上提供整体解决方案，进行变频及自动控制系统的改造。
2 项目概述及需求分析
2.1 项目概述
辽宁锦州某金属公司现有三套20MVA的电炉用于锰冶炼，电炉所产烟气通过湿法工艺进行净化后，实现煤气回收利用。
煤气净化及存储工艺流程如图1所示，电炉高温烟气通过净化塔进行冷却降温、喷淋洗涤、除尘、脱水处理，净化后的煤气通过罗茨风机压缩升压，送往煤气柜进行储存。洗涤循环水经除泥处理后循环利用，部分污水处理后排放。
罗茨风机出口设置有回流阀，通过控制阀门开度调节净化系统总风力，进而控制电炉炉膛压力在工艺要求范围内；出口同时设置有点火器，当出现紧急情况时进行放散点火，确保系统安全。
电炉在生产过程中，要求炉膛保持在微负压状态；如果出现正压力，则可能导致膛内烟、火外冒；如果负压力过低，则可能从炉外吸入过多空气，煤气与氧气燃烧，会导致烟气温度升高，并且降低煤气使用价值。炉膛压力过高或过低（正常范围-10Pa~5Pa）都存在安全隐患，所以必须进行严格的控制[1]。
煤气净化工段的罗茨风机是电炉冶炼生产中的关键设备，罗茨风机吸入气体的流量及压力直接影响净化塔的入口总吸力，进而影响电炉的炉膛压力。现场配套三组烟气净化系统，每组采用一用一备的工作方式，共六台罗茨风机，配置相同。选用天津鼓风机公司的ML系列卧式直联罗茨风机，进气流量：78.0～478.1m3/min；升压：9.8～68.6kPa。配套三相异步电机，电压380V，功率220kW，电流392A，转速985rpm。煤气净化罗茨风机工况图如图2所示。
2.2 原系统存在问题
现场电机运行方式为采用ABB软启动器实现软启动，软启动器带有旁路接触器，启动完成后自动切换至工频旁路运行。罗茨风机控制方法为在操作室人工观察炉膛压力的仪表显示信号，并通过电动回流阀的手操器，手动调节阀门开度。当炉膛压力过高时，需增加风机吸力，此时减小回流阀开度；当炉膛压力过低时，需减小风机吸力，此时加大回流阀开度。以此保证净化系统气体压力的稳定，维持炉膛压力在安全范围内。煤气净化人工控制方法如图3所示。
该方式主要存在以下弊端：
（1）烟气净化采用湿法工艺，煤气中包含水汽，加大对阀门的冲击损耗，大大缩短阀门的使用寿命；既增加维护工作量，而且降低生产效率，此点为本项目主要改造诉求。
（2）系统运行时回流阀的开度常在15%~40%范围调节，存在节流损耗，增加了设备电耗。
（3）电机一直处于工频满负荷运行状态，加大电机温升，也将缩短电机的使用寿命。
（4）需配备监控操作工，依据工人观察进行调节，既增加生产人员的工作量，操作过程也存在滞后。
罗茨风机出口设置有回流阀，通过控制阀门开度调节净化系统总风力，进而控制电炉炉膛压力在工艺要
2.3 技术需求
（1）将原有的工频运行改为变频运行方式，依据工况直接对电机调速，回流阀全部打开，既避免阀门损耗，也实现节能降耗。
（2）增加PLC控制系统，依据压力信号自动设置输出频率，实现炉膛压力自动调节。
（3）在原有操作面板上增加手动频率给定功能，作为备用操作，要求手动调节优先级高于自动调节方式。
（4）在现行的一楼配电室和二楼控制室进行工程改造；将配电室原有的三台软启动柜置换为变频器柜，因空间限制，要求柜体宽度不变，深度可适当增加。二楼控制室新增一面PLC控制箱，并对原有的操作面板进行改造。
3 改造方案
3.1 自动控制变频调速方案
针对以上问题，在深入生产现场工段调查的基础上，确定变频调速改造方案：新增罗茨风机变频器，引入电炉炉膛压力信号、净化炉前总吸力信号至PLC，自动调节变频器的输出频率，以实现炉膛的恒压控制；回流阀作为备用调节装置，正常运行时管道的回流支路关断；既可以满足生产要求还可以实现节能降耗。煤气净化自动控制方法如图4所示。
3.2 风机自动控制系统设计
罗茨风机自动控制实现方法如图5所示，由PLC自控系统、变频器、压力变送器组成压力闭环控制系统，接入炉膛压力和煤气在进入净化塔前总吸力两个模拟量信号，反馈压力与设定压力进行比较，依据工艺要求综合分析运算，实时控制变频器的输出量，自动调节电机转速，使炉膛压力保持在设计范围之内，以满足生产工艺的实际需求。
通过控制室原操作面板的两个备用按钮，实现频率加/减输入，作为手动给定功能；当自动控制系统出现偏差时可以通过手动操作进行频率调节，并具有高优先级，保证生产的安全性。
4 系统配置及功能
4.1 动力系统方案
该变频驱动系统的电气原理图（单组）如图6所示。
（QS表示隔离开关，FU表示熔断器，BP表示低压变频器，M表示电动机。）
4.2 设备技术参数及功能介绍
罗茨机属于恒转矩负载，本项目选用具备恒转矩调节功能的ABB低压变频器，型号ACS580，额定电流505A，相比于传统的变转矩风机选型容量加大一档配置，以满足恒转矩负载的启动特性；并内置有PID调节功能和通讯信号接口。
变频器可以通过PLC控制自动给定、或通过面板按钮手动给定，实现罗茨风机的速度调节。
自动给定信号通过通讯信号提供，由自动控制操作箱中的PLC通过Modbus串口通讯给定。操作箱放置于控制室，内置西门子S7-200 SMART型号PLC，接入炉膛压力和煤气在进入净化塔前总吸力的模拟量AI信号，组成压力闭环控制系统，自动调节电机转速。操作箱至变频器之间通讯电缆敷设距离230米，串行通讯能力完全满足要求。
手动给定信号通过原操作面板的两个备用按钮控制，该两个数字量DI信号接入PLC，通过程序实现频率加/减功能，实现手动频率调节。在PLC程序中设置手动给定的优先级高于自动给定功能。
5 项目应用效果
5.1 应用效果
炉膛压力原有范围要求是-10Pa~5Pa，通过变频调速自动控制运行后，调节效果良好；经过和用户协商将工艺要求优化为-10Pa~0Pa的恒定微负压，进一步改善电炉的运行性能。如图7所示，随机截取两段仪表数据，炉内压力分别为-1.35Pa和-3Pa，维持在微负压状态。
5.2 节能分析
罗茨风机是容积式风机的一种。它由一个类似椭圆形的机壳与两块墙板包容成一个气缸，一对彼此相互“啮合”的叶轮，两个叶轮等速相向旋转，在旋转过程中把两个叶片之间的空气挤压出来，将气缸内的气体从进气口源源不断地推移到出气口，这就是罗茨风机的整个工作过程。罗茨风机的特殊结构设计，决定了其风压在一定的流量范围内是近似恒定的，不论转速变化如何其风压可以保持不变[2]。
经过改造后，由变频器改变电机频率达到无级变速，起到调节风量的效果。而风量则与风机转速成正比的，即Q=kN。
其中：Q——风量；N——风机转速；k——系数。
罗茨风机作为恒转矩负载，其节电率与转速降近似成正比即△P%≈△N%。
其中：P——功率；N——风机转速。
根据现场应用观察，正常运行周期内，风机的频率范围通常在28Hz~42Hz，最常见是在32Hz~40Hz左右，总计可以获25%左右的节能效果。
6 结束语
虽然不同于一般变转矩特性的风机、水泵，相似定律并不适用于恒转矩特性，所以罗茨风机节电率相对来说不高；但技术改造也改变了过去以调节出口阀门开度来调节风压的方式，解决了阀门的频繁维修问题，劳动强度大大降低；而且自动调节的及时性好，改善了生产工艺，提高了企业精细化管理水平。
所以，不论是从节能降耗、降低维护工作量等直接受益，还是从优化生产工艺，延长电机等设备的使用寿命，改善电网环境等间接受益来说，罗茨风机的变频改造都具有明显的应用优势和积极意义。
参考文献
[1]唐凤初,严可胜,陈建武. 锰硅合金电炉煤气净化与综合利用浅析[J]. 铁合金,2003,170(3):38-43.
[2]冯东升,张金辉,张智华. 罗茨风机的变频改造节能分析[J]. 电机与控制应用,2010,37(8):43-46.
作者简介
张东林 （1986-）男 工程师 研究方向为电机传动及控制系统的设计
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