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作者简介：陈世彦，男，中南大学，本科，青海西部水电有限公司，助理工程师，工业电气及其自动化，810800，青海省民和县青海西部水电有限公司电解分公司生产设备部。
摘要： 电解铝企业的净化风机功率较大，正常运行一般需要消耗较大的电能，依托挡板对风的数量与压力进行调节，极易浪费较大的资源，通过一系列的变频、调速的技术改造以后，取得了明显的节能效果，同时，为企业节约了生产成本。基于此，本文阐述了变频技术优化的重要作用，分析了净化风机变频调速的原理，探讨了相应的改造方案，提供了必要的参考。
关键词： 电解铝；净化风机；变频调速；节能改造；方案
【中图分类号】TQ533【文献标识码】A【文章编号】2236-1879（2018）07-0204-02
近年来，我国大力提倡“节能降耗”的企业发展战略，电解铝生产厂家是能源消耗的重要场所。其中，净化风机占用电厂的很大份额，是电解铝企业大功率的设备。每年需要消耗大量的电能，是企业节能减排计划的重要项目。因此，对净化风机进行变频技术的研究与改造显得非常重要。以下就相关问题展开详细论述。
一、变频技术优化的重要作用
第一，变频技术优化具有明显的节能性。改造以前，流量一般借助风阀进行调节，会让风机的大部分功率消耗在风阀的阻力方面。通过变频技术的改造，风阀完全打开，通过对电源频率的调节，确保风机输出的流量，可以有效地控制风机的功耗量，可以取得明显的节能效果。第二，变频技术经过优化以后，可以利用软启动功能。这样，使得开启电机的电流比额定电流小很多，不会对电网形成较大的冲击。同时，也降低了起动设备转矩给电机带来的损伤，有利于电机应用寿命的延长。第三，变频技术让系统运行更为稳定。通过变频设备可以对净化风机系统的压力情况进行实时了解，可以利用PID的调节性，确保系统的稳定性能。同时，变频器串联于电机与启动柜的一种电气设备，配备工频的旁路。如果变频器产生某种故障，可马上切换旁路的工频工作，确保电机有效应用。第四，变频技术提升了功率的因数。电压源式变频器的功率因数一般为0.96，通过变频技术改造后，不用无功补偿的设备，即可达到电网标准。既提升了厂变与有关电气设备的应用率，又降低了线路的能量消耗，为企业节约了运行成本。第五，应用变频技术，有效地提升了风机的应用寿命，使得系统的故障判断与维护功能进一步增强。由于变频器本身具有保护电机的功能，例如：过载、过热、过压、过流、接地等，以免设备在长期运行中器件发生坏损。同时，故障数据也能够清楚地指示故障点，变频器说明书里还配备了导致故障的原因及其解决方法，便于对设备的有效应用与维护。
二、净化风机变频调速的节能改造原理
应用以往的阀门、风门对风量、流量调节的时候，因为风门与阀门的节流问题，而容易造成大量的能量消耗。风机、管路通常皆带有相应的压力-流量的工作曲线。在应用风门，或者阀门对流量进行调节时，管路的压力-流量工作曲线会发生变化；而如果通过改变转动速度对流量进行调节时，风机的压力-流量工作曲线会发生变化。通过分析流体力学的相关定律与公式可以了解到：风机的流量和转动速度成正比，压力和转动速度的平方成正比，轴的功率和转动速度的立方成正比。如果外界的运行环境没有发生变化，则可以利用减缓电机的运行速度，其节电成效和转动速度的下降成立方的关系，取得较为明显的节电效果。
三、净化风机变频调速改造的实施方案
（一）某厂净化系统的现状。
某500kA电解铝的生产线，总共分为三个净化系统区间，各个区间配备了三台净化风机，主要应用挡板的调控模式，挡板的开度处于50%-55%之间。在原来的设计基础上，净化风机未配有调速的装置，具体运行也会保持一定的速度，母管的负压通常保持在-2.7kPa，依托挡板对流量进行调节，需要消耗较大的能量，且响应较慢、调节精度不够理想等。
通过观察上述信息可知：三个区间的净化风机皆处于正常运行的状态，总管的负压处于-2.5至-2.7kPa之间，达到生产标准。
（二）变频调整的技术改造分析。
通过实行高压变频调速的技术改造以后，应用一对一的驱动方式，各个设备皆配备一台高压的变频器以及旁路的切换柜。具体的动力系统构成图参见下图所示：
正常运行的时候，客户输入的真空开关处于闭合状态，即KA1、KA3闭合，KA2断开。电机主要依靠变频器的驱动力量运行。然而，如果变频器产生某种故障的时候，真空开关就会发生跳闸，这时，可以将KA1、KA3刀闸断开，将KA2刀闸开关闭合，当闭合真空开关时，电机主要依靠工頻的电源带动运行。KA1、 KA3刀闸与KA2刀闸不同一起闭合，具有机械连锁的功能。
（三）改造后的节能效益。
电解铝厂的净化风机在工频的时候，实际的功率消耗为P，而实际的平均电流值为105 A，功率因数为0.76。有P=1.732 *I*U*cosθ = 1.732 * 105* 6 * 0. 76 = 829kW。而且，净化风机在运行的时候，挡板的开度处于50%-55%之间，实际的流量大约是462333m3/h。
通过变频调整的改造以后，按照流体力学的基本定律可得：
全压 = 4200 *（462333/595000） 2 = 2536 kPa
可以确保母管的负压为-2500 kPa，净化风机的运行效率达到68.4%，变频
器的运行效率为97%，传动效率达到98%。每台的净化风机，其电机的功率为P'，
则P’= （462333/3600） * 2536/68.4%/98%/97% = 501 kW
节电率 = （P-P'）/P* 100% =（829-501）/829 *100%= 39.60%
每台的变频器，每年平均节约电能（年运行为8280小时）：
（829-501）kW * 8280 h = 271.58 *104 kWh
所以，九台变频器每年共节约电能为：
9 *271.58 = 2444*104 kWh
依据近年来我国相关部分颂布的各种机组平均发电的煤耗量为326g/kWh进行计算，则每年可以节省标煤大约7967 tce，控制了20715t的C02排放量。如果电价按照0.5元/kWh计算，每年可以节约电费为：
2444*104 kWh *0.5元/kWh = 1222万元
四、结束语：
电解铝厂的净化风机通过一系列的变频调整改造以后，应用了一对一式的驱动方式，添加九台高压的变频设备，有效地控制了闭环的精确性。按照净化风机的母管负压与风量情况，应当合理地对电机的转动速度进行调节，从而实现经济运行的目标。每年大约可以节省1222万元的电费，节约7967tce的标煤，降低了CO2的排放量，极大地节约了电解铝厂的生产成本，提升了经济效率，从而促进企业取利健康、稳定地发展。
参考文献
[1]李杰，吕宇，曹征.新型空气净化新风机的设计研究[J].科技创新与应用，2015（31）：69-70.
[2]王丽娟.电解铝净化风机变频调速节能改造[J].中国高新技术企业，2014（13）：82-83.
[3]王云强，李华，陈志刚，费征.净化除尘风机的节能改造[J].中国新技术新产品，2013（21）：110.
[4]平祝华.电解铝烟气净化系统高压排烟风机变频调速节能改造[J].轻金属，2011（S1）：333-335.
摘要： 电解铝企业的净化风机功率较大，正常运行一般需要消耗较大的电能，依托挡板对风的数量与压力进行调节，极易浪费较大的资源，通过一系列的变频、调速的技术改造以后，取得了明显的节能效果，同时，为企业节约了生产成本。基于此，本文阐述了变频技术优化的重要作用，分析了净化风机变频调速的原理，探讨了相应的改造方案，提供了必要的参考。
关键词： 电解铝；净化风机；变频调速；节能改造；方案
【中图分类号】TQ533【文献标识码】A【文章编号】2236-1879（2018）07-0204-02
近年来，我国大力提倡“节能降耗”的企业发展战略，电解铝生产厂家是能源消耗的重要场所。其中，净化风机占用电厂的很大份额，是电解铝企业大功率的设备。每年需要消耗大量的电能，是企业节能减排计划的重要项目。因此，对净化风机进行变频技术的研究与改造显得非常重要。以下就相关问题展开详细论述。
一、变频技术优化的重要作用
第一，变频技术优化具有明显的节能性。改造以前，流量一般借助风阀进行调节，会让风机的大部分功率消耗在风阀的阻力方面。通过变频技术的改造，风阀完全打开，通过对电源频率的调节，确保风机输出的流量，可以有效地控制风机的功耗量，可以取得明显的节能效果。第二，变频技术经过优化以后，可以利用软启动功能。这样，使得开启电机的电流比额定电流小很多，不会对电网形成较大的冲击。同时，也降低了起动设备转矩给电机带来的损伤，有利于电机应用寿命的延长。第三，变频技术让系统运行更为稳定。通过变频设备可以对净化风机系统的压力情况进行实时了解，可以利用PID的调节性，确保系统的稳定性能。同时，变频器串联于电机与启动柜的一种电气设备，配备工频的旁路。如果变频器产生某种故障，可马上切换旁路的工频工作，确保电机有效应用。第四，变频技术提升了功率的因数。电压源式变频器的功率因数一般为0.96，通过变频技术改造后，不用无功补偿的设备，即可达到电网标准。既提升了厂变与有关电气设备的应用率，又降低了线路的能量消耗，为企业节约了运行成本。第五，应用变频技术，有效地提升了风机的应用寿命，使得系统的故障判断与维护功能进一步增强。由于变频器本身具有保护电机的功能，例如：过载、过热、过压、过流、接地等，以免设备在长期运行中器件发生坏损。同时，故障数据也能够清楚地指示故障点，变频器说明书里还配备了导致故障的原因及其解决方法，便于对设备的有效应用与维护。
二、净化风机变频调速的节能改造原理
应用以往的阀门、风门对风量、流量调节的时候，因为风门与阀门的节流问题，而容易造成大量的能量消耗。风机、管路通常皆带有相应的压力-流量的工作曲线。在应用风门，或者阀门对流量进行调节时，管路的压力-流量工作曲线会发生变化；而如果通过改变转动速度对流量进行调节时，风机的压力-流量工作曲线会发生变化。通过分析流体力学的相关定律与公式可以了解到：风机的流量和转动速度成正比，压力和转动速度的平方成正比，轴的功率和转动速度的立方成正比。如果外界的运行环境没有发生变化，则可以利用减缓电机的运行速度，其节电成效和转动速度的下降成立方的关系，取得较为明显的节电效果。
三、净化风机变频调速改造的实施方案
（一）某厂净化系统的现状。
某500kA电解铝的生产线，总共分为三个净化系统区间，各个区间配备了三台净化风机，主要应用挡板的调控模式，挡板的开度处于50%-55%之间。在原来的设计基础上，净化风机未配有调速的装置，具体运行也会保持一定的速度，母管的负压通常保持在-2.7kPa，依托挡板对流量进行调节，需要消耗较大的能量，且响应较慢、调节精度不够理想等。
通过观察上述信息可知：三个区间的净化风机皆处于正常运行的状态，总管的负压处于-2.5至-2.7kPa之间，达到生产标准。
（二）变频调整的技术改造分析。
通过实行高压变频调速的技术改造以后，应用一对一的驱动方式，各个设备皆配备一台高压的变频器以及旁路的切换柜。具体的动力系统构成图参见下图所示：
正常运行的时候，客户输入的真空开关处于闭合状态，即KA1、KA3闭合，KA2断开。电机主要依靠变频器的驱动力量运行。然而，如果变频器产生某种故障的时候，真空开关就会发生跳闸，这时，可以将KA1、KA3刀闸断开，将KA2刀闸开关闭合，当闭合真空开关时，电机主要依靠工頻的电源带动运行。KA1、 KA3刀闸与KA2刀闸不同一起闭合，具有机械连锁的功能。
（三）改造后的节能效益。
电解铝厂的净化风机在工频的时候，实际的功率消耗为P，而实际的平均电流值为105 A，功率因数为0.76。有P=1.732 *I*U*cosθ = 1.732 * 105* 6 * 0. 76 = 829kW。而且，净化风机在运行的时候，挡板的开度处于50%-55%之间，实际的流量大约是462333m3/h。
通过变频调整的改造以后，按照流体力学的基本定律可得：
全压 = 4200 *（462333/595000） 2 = 2536 kPa
可以确保母管的负压为-2500 kPa，净化风机的运行效率达到68.4%，变频
器的运行效率为97%，传动效率达到98%。每台的净化风机，其电机的功率为P'，
则P’= （462333/3600） * 2536/68.4%/98%/97% = 501 kW
节电率 = （P-P'）/P* 100% =（829-501）/829 *100%= 39.60%
每台的变频器，每年平均节约电能（年运行为8280小时）：
（829-501）kW * 8280 h = 271.58 *104 kWh
所以，九台变频器每年共节约电能为：
9 *271.58 = 2444*104 kWh
依据近年来我国相关部分颂布的各种机组平均发电的煤耗量为326g/kWh进行计算，则每年可以节省标煤大约7967 tce，控制了20715t的C02排放量。如果电价按照0.5元/kWh计算，每年可以节约电费为：
2444*104 kWh *0.5元/kWh = 1222万元
四、结束语：
电解铝厂的净化风机通过一系列的变频调整改造以后，应用了一对一式的驱动方式，添加九台高压的变频设备，有效地控制了闭环的精确性。按照净化风机的母管负压与风量情况，应当合理地对电机的转动速度进行调节，从而实现经济运行的目标。每年大约可以节省1222万元的电费，节约7967tce的标煤，降低了CO2的排放量，极大地节约了电解铝厂的生产成本，提升了经济效率，从而促进企业取利健康、稳定地发展。
参考文献
[1]李杰，吕宇，曹征.新型空气净化新风机的设计研究[J].科技创新与应用，2015（31）：69-70.
[2]王丽娟.电解铝净化风机变频调速节能改造[J].中国高新技术企业，2014（13）：82-83.
[3]王云强，李华，陈志刚，费征.净化除尘风机的节能改造[J].中国新技术新产品，2013（21）：110.
[4]平祝华.电解铝烟气净化系统高压排烟风机变频调速节能改造[J].轻金属，2011（S1）：333-335.