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一、前言
江蘇連云港北港鎳業股份有限公司總投資3.4億元，年產10萬噸鎳鐵合金、3.5萬噸鎳鐵合金長型材和鑄鍛件,投產后年可實現銷售收入10億元，利稅近3億元。該廠工藝設備，計量測試，除塵環保，廠房和綠化水平具有當前國內同行業領先水平。
現代生產鎳的方法主要有火法和濕法兩種。根據世界上主要兩類含鎳礦物（含鎳的硫化礦和氧化礦）的不同，冶煉處理方法各異。含鎳硫化礦目前主要采用火法處理，通過精礦焙燒反射爐（電爐或鼓風爐）冶煉銅鎳硫吹煉鎳精礦電解得金屬鎳。氧化礦主要是含鎳紅土礦，其品位低，適于濕法處理；主要方法有氨浸法和硫酸法兩種。氧化礦的火法處理是鎳鐵法。現代生產鎳的方法主要有火法和濕法兩種。根據世界上主要兩類含鎳礦物（含鎳的硫化礦和氧化礦）的不同，冶煉處理方法各異。含鎳硫化礦目前主要采用火法處理，通過精礦焙燒反射爐（電爐或鼓風爐）冶煉銅鎳硫吹煉鎳精礦電解得金屬鎳。氧化礦主要是含鎳紅土礦，其品位低，適于濕法處理；主要方法有氨浸法和硫酸法兩種。氧化礦的火法處理是鎳鐵法。
1、用戶冶煉系統工藝要求簡介
n 硫化鎳精礦的冶煉其主要工藝如下：
（1）熔煉。
鎳精礦經干燥脫硫后即送冶煉高爐熔煉，目的是使銅鎳的氧化物轉變為硫化物，產出低冰鎳（銅鎳锍），同時脈石造渣。所得到的低冰鎳中。
（2）低冰鎳的吹煉。
吹煉的目的是為了除去鐵和一部分硫，得到含銅和鎳70%－75%的高冰鎳（鎳高硫），而不是金屬鎳。轉爐熔煉溫度高于1230℃，由于低冰鎳品位低，一般吹煉時間較長。
（3）磨浮。
高冰鎳細磨、破碎后，用浮選和磁選分離，得到含鎳67%－68%的鎳精礦，同時選出銅精礦和銅鎳合金分別回收銅和鉑族金屬。鎳精礦經反射爐熔化得到硫化鎳，再送電解精煉或經電爐（或反射爐）還原熔煉得粗鎳再電解精煉。
（4）電解精煉。
粗鎳中除含銅、鉆外，還含有金、銀和鉑族元素，需電解精煉回收。與銅電解不同的是這里采用隔膜電解槽。用粗鎳做陽極，陰極為鎳始極片，電解液用硫酸鹽溶液硫酸鹽和氯化鹽混合溶液。通電后，陰極析出鎳，鉑族元素進入陽極泥中，另行回收。
n 高爐鼓風機其主要工藝特點如下：
★ 高爐鼓風機是高爐重要的動力設備，它不但直接提供高爐冶煉所需的氧氣，而且提供克服高爐料柱阻力所需的氣體動力。高爐冶煉要求鼓風機能供給一定量的空氣，以保證燃燒一定的碳;其所需風量的大小不僅與爐容成正比，而且與高爐強化程度有關、一般按單位爐容2.1～2.5m3/min的風量配備。但實際上不少的高爐考慮到生產的發展，配備的風機能力都大于這一比例，因此一般采用入口風門、出口放風閥進行風量、風壓控制，以及防止風機的喘振。
★ 高爐鼓風機的由于風門的損耗、風機的效率低、放風損耗巨大，因此采用高壓變頻器改造的節能空間巨大。但是由于高爐鼓風機作為高爐生產的關鍵設備，電動機功率容量大，要求保證持續工作，在高爐生產中的運行中斷特別在出鎳水時將造成灌渣事故，導致高爐堵爐、停產、焦比上升，造成較大的經濟損失，因此目前對高爐鼓風機進行高壓變頻改造的極少，主要原因用戶對高壓變頻器設備的運行可靠性的疑問。
高爐外觀圖片
二、高爐鼓風機的變頻改造方案
高爐風機原有采用串水阻啟動控制，通過風機入口風門和出口放風管風門進行風量風壓調節。在經過嚴密的技術比較與技術應用考察后，現采用深圳市邁凱諾自主研發、生產的多單元串聯的高─高形式的HE1000系列高壓變頻器，對其一臺高爐1600kW高爐鼓風機進行變頻調速節能改造。
1、 邁凱諾HE1000系列高壓變頻器技術特點
深圳市邁凱諾提供的HE1000系列變頻器除了具有一般廠家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點。
1）具有較強的功能，能夠滿足不同工況
HE1000系列高壓變頻器采用DSP系統與可編程系統巧妙的結合，控制系統高度集成化，設備器件主要采用進口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個功能碼，可以對啟動特性、運行模式等功能根據現場工況進行不同設定。HE1000系列高壓變頻器具有標準的RS485接口，可以通過RS485通訊接口（采用標準通信協議）與DCS進行連接，也可以通過硬接線的方式與DCS系統進行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統很方便的對變頻調速系統進行監控。也可以進行不同參數設置，滿足現場其它各種不同工況。
2）全面的保護功能
HE1000系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護；主控系統采用DSP＋PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、過載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據現場不同的工況進行參數設定。內置雷擊過流保護裝置，有效提高設備保護功能和系統保護功能，完全能夠保證電源及電機的安全運行。
3）全面的參數記錄
HE1000系列高壓變頻器顯示多項運行參數過過程變量，包括每個模塊的溫度、母線電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過通訊上傳至DCS系統，異常時對變頻器的狀態都有全面的記錄，以便現場人員更準確、更快捷地解決問題。
4）大的電壓、電流冗余量設計
深圳市邁凱諾生產的HE1000系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長為首要設計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設計冗余量較
5）電機轉速自動跟蹤功能
HE1000系列高壓變頻器在主電源母線切換（10秒內）過程中，變頻器能夠自動跟蹤電機的轉速，當主電源恢復后變頻器自動運行起來，保證了機組安全可靠運行。
6）功率模塊自動旁路技術
模塊自動旁路技術提高了系統的穩定性，HE1000系列高壓變頻器采用功率模塊自動旁路技術，可在1ms內旁路故障模塊，變頻器降額并可長期運行，等適當時候停機處理。
7）良好的電壓波動適應能力
HE1000系列高壓變頻器對電網電壓在±15%范圍內波動，變頻器能滿載輸出；電網電壓短時（30秒）下降至額定電壓的65％時，可繼續降額運行，不進行保護。
8）有效的電磁干擾解決方案
HE1000系列高壓變頻器在模塊設計上，獨家采用后進線、前出線設計方案；結構方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，有效保證變頻器的可靠運行。
9）合理的散熱系統
功率采用獨立的散熱風道，系統集中散熱的方式，散熱性能良好，滿載長時間運行溫升不超過25℃，良好的散熱系統可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長變頻裝置內部的器件使用壽命。
10）模塊化設計
HE1000系列變頻器，遵循模塊化設計理念，功率單元采用模塊化結構，各個相同的功率單元的結構、配置相同，可以非常方便的互換，從而利于生產的標準化，以及維修的標準化。
11）簡潔操作、快捷維護
HE1000系列高壓變頻器具有人性化的接口設計、界面簡潔清晰；操作方便，采用抽屜式模塊設計，更換模塊僅需5分鐘；濾網更換方便、快捷。
2、變頻器配置
根據現場額定參數及實際要求的，結合我公司的HE1000系列高壓變頻器在其它工程地應用情況，我公司為其配置如下變頻器，其主要地參數如下：
序號 | 項目 | 鼓風機 |
1 | 變頻器型號 | HE1000-1600G-T16 |
2 | 額定容量 | 1600kVA |
3 | 額定電壓 | 10KV |
4 | 額定電流 | 112A |
5 | 可配電機 | 普通異步電動機 1600kW/10KV |
6 | 控制方式 | 一拖一自動 |
3、變頻器拖動方式
根據現場控制要求的，結合我公司的HE1000系列高壓變頻器在其它工程地應用情況，我公司為其提供的HE1000變頻器的拖動方式采用一拖一自動方案，變頻器具有轉速跟蹤功能，其一次系統如下圖所示：
HE1000系列高壓變頻系統圖
該方案有二套拖動控制方式,一套采用變頻器控制,另一套在變頻器故障后采用水阻起動控制,該方案嚴格按照“五防”聯鎖要求設計，變頻器輸入輸出高壓真空接觸器3KM1、3KM2和水阻起動系統高壓真空接觸器1KM1、2KM1、2KM2互鎖，無論采那一套控制方式,都切斷另一套控制方式的電源,完全能夠保證變頻調速系統安全運行。變頻器輸入輸出高壓隔離開關3QS1、3QS2用于變頻器維護過程中高壓隔離。
n 自動旁路方案優點：
2 變頻器輸入、輸出設計有隔離刀閘，便于變頻器的維護與檢修。
2 操作方便，可以就地操作，也可遠程操作，易于實現自動控制。
4、變頻器控制方式
(1)我方提供的HE1000變頻器具有三種控制方式：
① DCS模擬量給定方式。
通過值班電工根據該鍋爐煙塵排量判斷或通過遠程自動檢測鍋爐煙塵排量,手動或自動調節頻率給定信號,從而達到滿足風機需要的風量和風壓要求。
② 變頻器設備可以通過遠程的開關量做多段速控制方式。
通過值班電工根據該鍋爐煙塵排量判斷或通過遠程自動檢測鍋爐煙塵排量,手動調節遠程的開關量信號, 從而達到滿足風機需要的風量和風壓要求。
③ 在本柜控制狀態，在柜體上變頻裝置監控界面上能手動給定轉數。其它遠程控制給定方式無效。在遠程控制狀態下，本柜控制給定方式無效。
現場采用遠程操作臺的監控計算機進行頻率或轉速給定。高壓變頻器變頻運行時，用戶可根據實際煉鎳過程中的壓力需求，在控制室對鼓風機的變頻系統進行調整設定頻率以滿足工況需求。高爐鼓風機由于有風壓要求，因此運行頻率一般在40Hz以上，所以在控制系統設置下限頻率30Hz，出現坐料可能喘振時依然采用放散閥控制，避免由于風量過小風機進入喘振區。
(2).高壓變頻器具有遠程和本機控制功能。
本機控制時通過高壓變頻器控制柜上觸摸屏可就地人工啟動、停止高壓變頻器，可以調整電機轉速、頻率。遠程控制放在控制室，設有操作臺和上位機，由配電工操作控制。通過上位機配電工可以隨時了解設備的運行情況，通過操作臺可實現對高壓變頻器進行簡單的遠方操作。配電工可以根據工況自由選定高壓變頻器“手動/自動”調速運行。
三、變頻改造后的效益計算
從流體力學的原理得知，使用感應電機驅動的風機，軸功率P與風量Q，風壓H的關系為：
當電動機的轉速由n1變化到n2時， Q、 H、 P與轉速的關系如下:
可見風量Q和電機的轉速n是成正比關系的，而所需的軸功率P與轉速的立方成正比關系。所以當需要80％的額定風量時，通過調節電機的轉速至額定轉速的80％，即調節頻率到40Hz即可，這時所需功率將僅為原來的51.2％，系統工作點變化如下圖所示：
變頻調速工作點示意圖
從上圖的特性示意圖來分析，采用變頻調速的節能效果。在額定情況下，系統工作在A點，當所需風量從Q1減小到Q2時，如果工頻運行，流量減小，系統壓力將增加，系統將工作在B點。如果風機采用變頻器進行調節，在系統風壓滿足要求時，系統將在C點運行，C點對應的X軸、Y軸的面積與B點對應的X軸、Y軸的面積之比即使變頻消耗的功率與工頻消耗的功率之比，同時還需考慮系統其它損耗。
節能效益計算如下：
實測節能比較
2009年12月06日在江蘇連云港北港鎳業股份有限公司冶煉高爐鼓風系統現場通過測量儀表進行測量數據如下表:
調節方式 | 輸入電流 | 輸入電壓 | 輸入功率因數 | 運行功率 | 日耗電量 |
閥門調節 | 82.23A | 9970V | 0.76 | 1079.16KW | 25899.84度 |
變頻調節 | 53.56 | 9970V | 0.96 | 887.88KW | 21309.12度 |
測試結果表明,
1600KW/10KV鼓風機在閥門調節和變頻調節的節能比較如下表:
名稱 | 數據 |
節電率 | 17.77% |
日節能電量 | 4590.72度 |
年節能電量 | 137.72萬度 |
年度節電效益 | 82.63萬元 |
可見，投入一臺深圳市邁凱諾電氣股份有限公司生產的HE1000系列高壓變頻器后，該項目全年節約電費均可達82萬元左右。另外，由于深圳市邁凱諾電氣股份有限公司生產的HE1000系列高壓變頻器功率因數可達0.95以上，大于電機功率因數0.89，減少大量無功。并且實現電機軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機絕緣的影響，減少電機維護量，節約檢修維護費用，同時電機壽命大幅度延長。減輕了運行人員的勞動強度，深受運行人員和維修人員的歡迎。
四、變頻改造總結
根據我公司在各種現場的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結高壓變頻器改造有以下優點：
1、安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插入安裝高壓變頻器，對原有接線不改動。
2.、操作使用方便，高壓變頻器操作只有簡單的開機、停機和頻率調整。
3、能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。
4、保護功能完善，故障率低，鼓風機啟動平穩，啟動電流小，可靠性高。
5、電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節電效果顯著。
6、由于高壓變頻器取代了閥門調速，消除了機械及壓力高故障率的缺陷，設備維護費用降低。
7、電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。
8、交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、節電、軟啟動方面，對企業有很大的實用價值。
五、結束語
高壓變頻裝置節能效果明顯，采用變頻調速后，實現了電機的軟啟動，延長電機的壽命，也減少了管道的振動與磨損；總之，采用了一套深圳邁凱諾電氣股份有限公司的自主研發、生產的多單元串聯的高─高形式的HE1000系列10kV/1600kW高壓變頻器調速裝置在江蘇連云港北港鎳業股份有限公司冶煉高爐鼓風系統的調速改造中應用是相當成功的。該系列變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業應用的證實。
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