第四章  石油化工行业

第五节  化工厂电石炉除尘风机变频调速改造
一、工程概况

四川省宜宾市屏山县天金化工厂是长江向家坝水电站的移民工程，共有三台电石生产炉，年产电石200多万吨，现有职工500多人。电石炉除尘系统工艺流程如下图1所示。由电石炉抽出的高温烟气经循环冷却器冷却后再经旋风除尘器除尘处理后进入除尘风机；当除尘系统故障时，事故排空阀打开对空排气。
              

                            图1  电石炉除尘系统工艺流程图

1．除尘风机生产工艺流程：

电石炉除尘系统为每台炉有独立控制的除尘风机和进风阀及配风阀，大布袋除尘器是公用的。进风阀控制每台电石炉的炉内能见度及表面洁净度；而各除尘风机的配风阀则是用来引进冷空气以防止大布袋除尘器因超温而烧毁，配风阀的开度和数量根据大布袋除尘器的烟气温度决定，随季节的变化有很大的差别：冬季低温时，配风阀一般不开或只开一台且开度很小；春秋季开1～2台，用开度来调节进入大布袋的烟气温度；夏季高温时开3台，并通过配风阀的开度来调节进入大布袋的烟气温度。

    当配风阀的开度改变时，会影响进入除尘风机的烟气量，进风阀也要随着改变，以保证每台电石炉的炉内能见度及表面洁净度。但是配风阀的冷空气管道的直径只有400mm，而烟气管道的直径为1200mm，冷空气的流量只有烟气流量的九分之一，且其开度一般很小，所以当配风阀的开度改变时，对进入除尘风机的烟气量的影响不是很大，完全可以用改变进风阀的开度来调整。进风阀和配风阀目前均采用人工电动控制。

    当除尘风机采用变频调速控制时，进风门全开，通过改变变频器的输出频率来改变电动机的转速，达到控制烟气流量的目的，从而控制电石炉的炉内能见度及表面洁净度；而配风阀则仍然由人工根据大布袋除尘器的温度手动控制。当大布袋除尘器的温度升高需要增开配风阀或开大配风阀时，完全可以通过升高风机的转速来吸收配风扰动而控制烟气流量稳定，从而达到控制电石炉内的能见度及表面洁净度的目的，绝对不会影响电石炉的正常生产运行。
 2. 除尘风机设备参数：

二、高压变频调速系统改造方案：

每一台除尘风机配置一台400kVA/10kV深圳市科陆变频器公司生产的CL2700效率高压变频器。为了提高系统的运行可靠性，每套高压变频调速系统都设计有工频旁路柜，当变频器因故障而退出运行时将电机投入工频运行，以确保不因变频器造成停产。自动旁路方案对比手动旁路方案，具有快速切换旁路的优势，但在安全性上略逊于手动旁路方案，因此若非生产工艺特别要求，一般采用手动旁路方案。

1. 变频控制系统主回路结构方案

采用“一拖一”手动旁路方案一次接线原理图如下：
         
  图2  CL2700高压变频调速系统一拖一手动工频旁路系统图

用户开关QF1闭合时，电机实现变频或工频运行。当高压电源经高压隔离开关QS1连到高压变频装置，变频装置输出经高压隔离开关QS3送至电动机，电动机变频运行；高压电源还可经高压隔离开关QS2直接起动电动机，电动机工频运行。高压隔离开关QS2、QS3之间机械互锁，确保工频电路与变频电路不会同时导通。当变频器检修，断开QS1、QS3，并闭合QS2使电机工频运行不停机，QS1、QS3形成明显断开点，确保检修人员人身安全。

手动旁路柜主要由隔离刀闸构成，在使用时可进行变频运行和工频运行的手动切换。在高压变频装置检修时，旁路隔离刀闸闭合为高压电机从电网直接提供高压电源，不影响用户的使用；而变频隔离刀闸断开，具有明显的物理断点，可保障检修人员的人身安全。旁路隔离刀闸与变频隔离刀闸间具有机械互锁功能，可确保工频回路与变频回路不会同时导通。

2. 变频器房设计：

变频器房可建在现场低压配电房旁边的草坪位置，刚好高压电缆沟从旁边通过，电缆敷设比较方便；并且离开除尘风机也近，便于安装调试和运行维护。变频器房位置见图5所示。

由于三台315kW/10kV的变频器的体积并不大，所以可以安装在一个房间内，以便于管理，变频器房的设计图见图3所示。

3. 变频器房散热设计：

考虑到宜宾地区夏季的气温较高，变频器房内又安装了三台变频器，所以变频器房的散热设计采取两项措施：

（1） 每个变频器柜的上面设计了散热风道，将变频器产生的热空气排出室外，以降低房间内的温度，新鲜的冷空气通过进风口经滤网过滤后进入室内，以防止粉尘对变频器的污染。

（2） 变频器房内再安装两台8匹空调，以防止变频器房内的温度在夏季不至于太热，保证变频器可靠工作。

                       图3  变频器房设计图

4.变频器改造对安装现场的基本要求

1) 控制电源要求：两段AC220V/3kVA，变频器内部自带双电源切换功能，变频器内部另配置一个能维持控制系统工作30分钟的UPS;

2) 接地电阻要求：在变频室内需设计2个独立的接地极。一个接地极为电气安全保护地；另一个接地极为变频控制系统用保护地。接地电阻要求小于3欧姆。

3) 变频器安装条件要求：考虑到变频器本身的发热量，建议变频器安装在独立的房间内，并采用单冷空调进行通风换热。空调容量的选择根据变频器的发热量来选择。

4) 变频室照明、空调用电源要求：在变频室的电气设计上，要求设计两路独立的AC380V电源系统（相互备用）供照明、空调用。

5) 为了提高系统的可靠性，高压变频器与DCS/上位机的信号连接采用点对点的硬接线连接/通讯模块及通讯电缆，所有信号线均采用屏蔽线，单根线截面面积应≥1.0mm² ，铜质导线；

6) 高压变频器与DCS的模拟量信号统一采用4～20mA隔离信号（信号发送、接收均在两端设备内加隔离）；

7) 高压变频器与DCS的数字量信号统一采用继电器干接点信号，接点容量为3A/250V；

8) 高压变频器与上位机的信号通讯采用通讯模块及通讯电缆。

三、除尘风机变频调速节能分析

l 1#电石炉除尘风机：
采用的是风门调节，平均风门开度由离心风机数据表2可以查得，当风门开度为40％时，风量为风门全开时的73％,此时工频运行电动机功率为：

Pd1 ＝ 1.732×10×14.3×0.88 ＝ 217.9 kW

由表1可以查得此时的电功率约为风门全开时风机运行功率的65％（风门40%开度），则变频运行时的电动机功率为：

Pb1 ＝( Pd1/0.65)× 0.73³/0.96 ＝ 135.8 kW

节省的电功率为：217.9－135.8 ＝ 82.1 kW

节电率为:  82.1 kW/217.9 kW ＝ 37.6 ％；

若按年运行6500小时，电价0.65元/度计算，每年可以节电53.4万度，可节约电费34.7万元。合节约184吨标准煤，可减少二氧化碳排放量460吨。

l 2#电石炉炉除尘风机：

采用的是风门调节，平均风门开度45%时，平均运行电流为17.1A，电网电压10kV,由离心风机数据表2可以查得，当风门开度为45％时，风量为风门全开时的77％,此时工频运行电动机功率为：

Pd1 ＝ 1.732×10×17.1×0.90 ＝ 266.5 kW

由表1可以查得此时的电功率约为风门全开时风机运行功率的68％（风门45%开度），则变频运行时的电动机功率为：

Pb1 ＝( Pd1/0.68)× 0.77³/0.96 ＝ 186.4 kW

节约的电功率为：266.5－186.4 ＝ 80.1 kW

节电率为:  80.1 kW/266.5 kW ＝ 30 ％；

若按年运行6500小时，电价0.65元/度计算，每年可以节电52万度，可节约电费33.8万元。合节约180吨标准煤，可减少二氧化碳排放量450吨。

l 3#电石炉除尘风机：

采用的是风门调节，平均风门开度50%时，平均运行电流为19.4A，电网电压10kV,由离心风机数据表2可以查得，当风门开度为50％时，风量为风门全开时的82％,此时工频运行电动机功率为：

Pd1 ＝ 1.732×10×19.4×0.90 ＝ 302.4 kW

由表1可以查得此时的电功率约为风门全开时风机运行功率的71％（风门50%开度），则变频运行时的电动机功率为：

Pb1 ＝( Pd1/0.71)× 0.82³/0.96 ＝ 244.6 kW

节约的电功率为：302.4－244.6 ＝ 57.8 kW

节电率为:  57.8 kW/302.4 kW ＝ 19.1 ％；

若按年运行6500小时，电价0.65元/度计算，每年可以节电37.57万度，可节约电费24.42万元。合节约129.6吨标准煤，可减少二氧化碳排放量324吨。

综合统计如下表：