电解铝厂排烟风机是电解铝净化系统生产的关键设备，其电能消耗占净化系统动力消耗的50%以上。传统风机通过改变风门挡板改变风量，采用变频调速技术，改变风机的转速来调节排风量比传统的改变风门挡板调节技术更快和更精确，还可以实现电机的软启动，减少对电网的冲击，并达到节约电能的目的。为降低单位产能的耗电量，提高生产效率，实施节能改造势在必行。

2、包头希铝简介

东方希望包头稀土铝业有限责任公司（简称包头希铝）是东方希望集团2002年在包头投资建设的大型铝电一体化项目，是内蒙古自治区重点企业，全国光彩事业重点项目，内蒙古自治区级循环经济园区。
　　包头希铝于2002年10月28日开工，计划建设总规模100万吨铝和2720兆瓦发电厂，已建成规模年产88万吨铝和1320兆瓦自备电厂。其中，一期工程年产25万吨铝、配套建设310兆瓦的电厂（2台155兆瓦机组），二期工程50万吨铝、配套建设1010兆瓦的电厂（2台155兆瓦机组和2台350兆瓦机组）。

 图1东方希望包头铝业厂区大门

   铝厂采用了国内和国际多项先进技术，主要经济技术指标居国内同行业领先水平，是一个高起点、大容量、低污染的大型现代化工业企业。

  铝厂采用国内先进的320KA和450KA大型预焙电解槽，烟气净化采用成熟的氧化铝干法净化、布袋除尘工艺，设计氟化物净化效率98%以上，粉尘净化效率达99%以上。吨铝氟盐的消耗量仅为16千克，优于23千克/吨铝的行业平均水平。粉尘排放量仅为1.68千克，处于行业先进水平。吨铝综合交流电耗低于行业平均水平近800度/吨铝（《中国铝业》杂志公布的2009年电解铝行业吨铝综合交流电耗平均为： 14171 KWH。吨铝产能占地1.5m2，是全国平均水平的1/20。公司是国内少数采用国际先进水平的电解槽集中大修工艺技术的铝电解系列。

3、此次变频改造工艺设备情况

此次变频改造设备是东方希望包头希铝电解铝厂第一期年产八万顿电解铝的排烟系统配置4台风机，采用两用两备。排烟风机作用是使电解铝烟气净化系统布袋除尘器内形成负压，利于电解铝烟气的净化、分离，净化后气体通过烟囱排空。改造之前主要问题:启动时对电网冲击较大；通过排烟风机进口风门（挡板）调节风机风量，排烟风机进口风门（调节挡板）开度在60%～70%左右，约有30%～40%能量都被消耗在挡板上，由于挡板故障率高，调节延迟，加之挡板节流产生压力损失、增加管网的损耗，耗用大量的能源；不能适应复杂工况下工艺的实际需要，造成大马拉小车，严重浪费能源。因此对排烟风机进行变频技术改造，对降低排烟风机用电量，提高经济效益起到重要作用。

为了降低排烟风机的用电，提高烟气净化系统的运行效率，包头希铝公司电解铝厂领导决定在排烟风机上采用希望森兰科技股份有限公司生产的2套800kw/10kv与同步转速n1存在一个滑差关系： n= n1（1-s）=60f/p（1-s）

由上式可以得到，改变异步电动机的转速可以通过改变f、p、s可以达到。

针对某一电动机而言p是一定的，而通过改变s进行调速空间非常小，所以变频调速通过改变定子供电频率f来改变同步转速是异步电动机的最为合理的调速方法。

若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点，目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。

根据流体力学相似定律： Q1/Q2＝n1/n2输出风量Q与转速n成正比；

H1/H2＝(n1/n2)2输出压力H与转速n2正比；

P1/P2＝(n1/n2)3输出轴功率P与转速n3正比。

当风机风量（水泵流量）需要改变时，如调节风门（阀门）的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量（流量），可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时，当风机（水泵）低于额定转速时，理论节电为：

E=〔1-(n′/n) 3〕×P×T (kW·h)

式中： n——额定转速

n′—— 实际转速

P——额定转速时电机功率

T——工作时间

可见，通过变频对风机（水泵）进行控制，不但节能而且大大提高了设备运行性能，以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。

5、高压变频器选型及变频调速方案

5.1变频器选型

经过大量的技术论证，并且对目前高压变频器市场充分考查后，最终选用了希望森兰科技股份有限公司生产的SBH-100-800高压变频器对排烟风机进行变频改造。

表1   排烟风机电机参数：

型号

YKK560-8

额定电压

10000V

额定电流

54.0A

额定功率

710kW

额定频率

50Hz

额定转速

745r/min

功率因数

0.81

生产厂家

西安电机厂

表2   森兰变频SBH-100-800高压变频器技术参数：

森兰高压变频器的特点：

n        一体化设计，系统简洁，维护方便，安全可靠；

n        功率单元模块化设计，每个单元可互换使用，通用性强；

n        多功能HMI设计，直观友好的操作界面；

n        独特的防干扰设计技术，防干扰能力强；

n        出厂做“三满”试验，确保设备高质量；

n        采用矢量控制技术，具有低频转矩大优点，满足重载启动需要；

n        飞车启动功能，无需等待电机停机，可以直接启动；

n        控制电源采用冗余设计，可靠性高；

n        独特的防“晃电”技术，超强的电网适应性；

n        自动限流技术，在变频器处于加速，减速以及负载加重时自动调节变频器的输出，确保     设备运行稳定；

n        独创的自动稳压技术，电网电压波动时可保持变频器的输出电压不受影响；

n        无扰动投切技术，方便实现变频及工频直接的双向投切；

n        双冗余机械式旁路技术，比传统电子旁路技术防干扰能力强，可靠性更高。

5.2变频调速方案

   通过对排烟风机动力系统的研究、分析，综合其中存在的问题，以“先保证系统安全可靠，结构合理，提供最佳性价比方案”的原则对系统进行方案设计，决定采用一拖二手动方案。其一次电路如图3所示：

图3 高压变频系统一次接线图

QF1，QF2为用户原高压开关；

   QS11, QS12, QS13, QS21, QS22, QS23是高压隔离开关；

   M为高压电动机。

变频器控制风机为一拖二控制，QS11、QS12、QS13、QS21、QS22、QS23手动隔离开关,没有灭弧功能，不能带电操作。

QS12与QS13机械互锁，只能合其中一个；QS22与QS23机械互锁，只能合其中一个。

QS11与QS21电气互锁，只能合其中一个；QS12和QS22电气互锁，只能合其中一个。

电解铝烟气净化系统采用四台离心风机，这四台排风机采用两用两备。本系统选用两台希望森兰科技股份有限公司生产的SBH-100-800型高压变频器，采用一拖二手动旁路方案。一台变频器拖动两台电机；当变频器出现故障时可以切换到工频运行；并且变频器旁路部分具有互锁功能，确保两台电机不出现同时驱动，同一电机不出现变频、工频同时驱动。两排风机电动机均具备工频旁路功能，提高整个净化排烟系统的可靠性。

图4   森兰高压变频在电解铝净化排烟风机应用现场图

5.3排烟风机变频控制原理

根据生产需要，烟气净化系统装置运行正常时，总管压力要保持在一定的负压，才能满足生产线正常的需求。下面就以总管烟气压力控制来说明本系统的控制原理与实现过程。

图5  排烟机变频控制原理图

如图所示，检测排总管烟气压力，因为当布袋除尘器内外压差太大时，其中的烟气没有被除掉，就被直接吸出，影响净化效果。为了保证烟气净化过程顺畅进行，变频器接收到变送器传输过来的压力信号，实现闭环控制。当压力超过系统设定值时，通过压力变送器发送的电流量降低变频器的频率，实现排风机降速运行来降低总管烟气压力到目标值；当压力差低于系统设定值时，通过压力变送器发送的电流量升高变频器的频率，实现排风机升速运行来升高总管烟气压力到目标值。同时，变频器可以实现与机组DCS系统的信息传递，可完成自诊断、报警和接收指令的功能。

5.4高压变频调速系统优势
（1）电机拖动风机可实现软起动，控制电机的启动电流。变频改造后降低启动电流，减少对电网侧的冲击，提高绕组承受力，降低电机的维护成本，增长电机的寿命；同时大大减小了对风机设备的冲击，降低维护成本，延长风机使用寿命。
 （2）可实现线性调速，通过对电机转速的调节控制风机风量满足工艺生产；同时离心风机是平方转矩负载，能耗是与电机的转速成立方比，从而达到节能效果。

（3）系统设有就地和远方两种控制途径，就地控制是在变频器处通过变频器触摸屏进行操作或应急处理；远方控制是在控制室内进行.在这种工作方式下，操作员通过DCS系统的频率给定信号，调节变频器，改变电机转速，达到调节风量的目的。
（4）信息传递：变频器可以实现与机组DCS系统的双向信息传递。变频器可提供给DCS系统如下参量：输出转速、输出电流等反馈信息，通过4～20mA电流源模拟量输出；同时提供给DCS的开关量有：变频器远程控制指示，就绪，运行，轻故障，重故障指示状态信息。变频器接收的DCS的模拟量信号为频率给定，开关量为远方启/停、复位信号等。通过变频器与DCS信号的交换，实现远程控制及监视变频运行各类数据功能，提高工艺生产自动化水平。

（5）完备的保护功能：过流，过压，欠压，输入输出缺相，输出短路，输出接地，变频过热，电机过载，失速防止，电机过热等保护。

（6）系统的变频风机实现变频供电和电网供电相互切换运行，可手动切换，当变频器发生异常后，风机仍需要运行，这时可将电机切换到工频电网起动，增加风机系统运行可靠性。

6、现场应用及节能效果

（1）      现场应用情况

图6   改造的负载

 此次电解铝净化排烟风机变频改造项目自投产以来运行良好。通过变频器调节排烟风机的转速来调节出风量，既满足了电解车间工艺生产，又减少了耗电量。