高壓變頻器在轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

1 引言

　　電機(jī)是能源消耗大戶之一。我國電機(jī)總裝機(jī)容量已達(dá)4億kw，年耗電量達(dá)6000億kw·h，占工業(yè)耗電量的80%；低壓電機(jī)數(shù)量是中高壓電機(jī)的幾十倍，但耗能僅為中高壓電機(jī)的1/8，所以降低中高壓電機(jī)的能源消耗意義重大，前景誘人。對于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，如采用調(diào)速的方法改變其流量，節(jié)電率可達(dá)20%～60%。基于以上原因，各種類型的變頻器因其在交流調(diào)速領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景從問世以來一直是各方面關(guān)注的焦點(diǎn)。低壓變頻器的技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)成熟，在節(jié)約能源方面已取得了很大成效。現(xiàn)在，中高壓變頻器因其在節(jié)約能源方面的巨大潛力成為了各國研究的重點(diǎn)。

　　風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備多數(shù)采用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行，存在啟動(dòng)電流大、機(jī)械沖擊大、電氣保護(hù)特性差等缺點(diǎn)。不僅影響設(shè)備的使用壽命，而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)不能瞬時(shí)動(dòng)作保護(hù)設(shè)備，時(shí)常出現(xiàn)泵損壞，同時(shí)電機(jī)也被燒毀的現(xiàn)象。采用變頻調(diào)速器，易操作、免維護(hù)、控制精度高，并可以實(shí)現(xiàn)高功能化等特點(diǎn)。

　　我國的能耗指數(shù)很高，其中工業(yè)消耗占64%，為了降低能源消耗，必須在工業(yè)生產(chǎn)中采取節(jié)能措施，而采用變頻調(diào)速的方式可以很好的解決節(jié)約能源的需求。在這方面已經(jīng)有很好的例子，遼河油田采用變頻調(diào)速，安裝了25臺變頻器1818.2kw，年節(jié)約電能602萬kw·h，平均節(jié)電率在35%以上。

　　基于以上原因，我們廠決定對現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，這也是節(jié)約能源，提高效益的需要。

2 轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工藝介紹

　　轉(zhuǎn)爐在吹煉鐵水的過程中，爐口會(huì)排出大量棕紅色的煙氣，煙氣溫度高、含有易燃、有毒氣體和金屬顆粒，所以必須對煙氣進(jìn)行除塵處理，然后將氣體送至煤氣回收系統(tǒng)，對其中的可燃?xì)怏wco進(jìn)行回收再利用。除塵系統(tǒng)采用二級文氏管煙塵凈化方式，這也是鋼廠普遍采用的除塵工藝。

　　我們廠內(nèi)共有2臺60t轉(zhuǎn)爐，2臺轉(zhuǎn)爐共同接一套風(fēng)機(jī)除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)有1臺6kv的電機(jī)帶1臺風(fēng)機(jī)，電機(jī)的主要參數(shù)如附表所示。

　　由于轉(zhuǎn)爐煉鋼是周期性間斷吹氧，這就要求除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)在整個(gè)煉鋼工作周期內(nèi)變速運(yùn)行，吹氧時(shí)高速運(yùn)行，不吹氧時(shí)低速運(yùn)行。除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造前，我們采用液力耦合器對除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)液力偶合器技術(shù)存在明顯的不足，主要表現(xiàn)在：調(diào)速范圍不夠?qū)挘话阍陬~定轉(zhuǎn)速的30%～90%之間，造成能源浪費(fèi)；除塵風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，液力偶合器有時(shí)失速，造成轉(zhuǎn)爐爐口冒煙；液力耦合器需經(jīng)常更換軸承進(jìn)行檢修，造成轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)，影響了生產(chǎn)效率的提高；使電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，電機(jī)損耗增大；調(diào)節(jié)精度低、線性度差，響應(yīng)慢；啟動(dòng)電流仍比較大，干擾電網(wǎng)，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；漏油嚴(yán)重，對環(huán)境污染大，嚴(yán)重影響廠區(qū)環(huán)境。

　　液力耦合器調(diào)速的不足也迫切地要求我們對原來的除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3 除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的改造方案

　　3.1高壓變頻器調(diào)速方式的選擇

　　高壓變頻器根據(jù)高壓組成方式可分為高-高型和高-低-高型，根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)，可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，在交-直-交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分電壓源型和電流源型。下面將對目前使用較為廣泛的幾種高壓變頻器進(jìn)行分析，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　高-低-高型高壓變頻器，亦稱間接高壓變頻器，它由輸入、輸出變壓器和低壓變頻器組成。輸入變壓器為降壓變壓器，它將高壓電源降至變頻器所允許的電壓，經(jīng)低壓變頻器變頻變壓后，再經(jīng)輸出變壓器即升壓變壓器升壓后，供給高壓電動(dòng)機(jī)。高-低-高型高壓變頻器由于經(jīng)歷兩次電壓變換，增加了電能損耗，影響了節(jié)能效果，并且占地面積大，還產(chǎn)生了大量的高次諧波，具有較明顯的缺陷。由于這種技術(shù)難度相對較少，投資相對較低，故適用于功率較小的高壓電動(dòng)機(jī)。

　　高-高型高壓變頻器采用若干個(gè)獨(dú)立的低壓功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，高—高型高壓變頻器中的單元串聯(lián)多電平pwm電壓源型變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小、輸入功率因數(shù)高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步動(dòng)機(jī)。單元串聯(lián)多電平變頻器的輸出電壓可以達(dá)到10kv，甚至更高。

　　電流源型變頻器技術(shù)成熟，且可四象限運(yùn)行，但由于高壓時(shí)器件串聯(lián)的均壓問題，輸入諧波對電網(wǎng)的影響和輸出諧波對電機(jī)的影響等問題，使其應(yīng)用受到限制。而且變頻器的性能與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電機(jī)的絕緣有影響。

　　比較以上類型高壓變頻器，由于單元串聯(lián)式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網(wǎng)的諧波污染小，輸出適用普通電動(dòng)機(jī)，近幾年來發(fā)展迅速，在我國得到廣泛應(yīng)用，尤其在風(fēng)機(jī)水泵等節(jié)能領(lǐng)域，因此我們選擇單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器。

3.2 高壓變頻器品牌、型號的選擇

　　除塵風(fēng)機(jī)是除塵凈化系統(tǒng)的動(dòng)力中樞，一旦除塵風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能威脅到現(xiàn)場生產(chǎn)人員的人身安全，所以要求高壓調(diào)速系統(tǒng)具有極高的可靠性。

　　國外多家公司已經(jīng)推出成熟的高壓變頻產(chǎn)品，如德國西門子公司的simovertmv系列高壓變頻器，歐洲abb公司的acs1000高壓變頻器，美國ge公司的mv高壓變頻器，美國a-b公司的powerflex7000高壓變頻器，美國羅賓康公司的完美無諧波系列高壓頻器等。國內(nèi)的高壓變頻器公司有北京利德華福、山東新風(fēng)光、湖北三環(huán)、廣州智光等。我們經(jīng)過多方考察、比較，選用了北京利德華福的harsvert-a系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器。

　　3.3 高壓變頻器的控制方案

　　我們廠的2臺轉(zhuǎn)爐已經(jīng)上了一套煤氣回收自動(dòng)化系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用的是西門子公司的s7-400系統(tǒng)，由于新加的高壓變頻系統(tǒng)控制點(diǎn)數(shù)不多，我們決定將高壓變頻系統(tǒng)集成到煤氣回收控制系統(tǒng)中，這樣可以節(jié)省成本。

　　高壓變頻系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程和本機(jī)控制。風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，如果變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障，變頻器自動(dòng)停機(jī)。遠(yuǎn)程控制時(shí)，高壓變頻器按照plc控制器編好的程序自動(dòng)運(yùn)行，操作人員在主控室通過上位機(jī)監(jiān)控畫面監(jiān)控；本機(jī)控制時(shí)，plc控制器不能自動(dòng)控制高壓變頻器，操作人員必須在現(xiàn)場從高壓變頻柜上設(shè)定變頻運(yùn)行的頻率和參數(shù)，手動(dòng)啟停變頻器，變頻器進(jìn)行檢修的時(shí)候必須打到本機(jī)控制。

　　轉(zhuǎn)爐的吹煉具有明顯的周期性，每臺轉(zhuǎn)爐一個(gè)完整的吹煉工藝周期約20min，我們設(shè)定了3個(gè)速度：高速45hz可調(diào)、中速38hz可調(diào)、低速10hz可調(diào)。高速在2臺轉(zhuǎn)爐同時(shí)吹煉時(shí)使用，中速在只有1臺轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)使用，非吹煉時(shí)間切換到低速。

　　變頻器通過profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和原有的煤氣回收控制系統(tǒng)連接，無需另接高壓變頻器的控制電纜，plc控制器給變頻器的指令以及變頻器的返回信息直接通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，通信信號穩(wěn)定、可靠。

4 節(jié)能效益分析

　　2臺轉(zhuǎn)爐除去檢修時(shí)間和故障停產(chǎn)時(shí)間，按年運(yùn)行320天計(jì)算，平均每天每臺轉(zhuǎn)爐出鋼32爐，每爐的吹煉時(shí)間為20min，那么一年一臺爐的吹煉時(shí)間為：20×32×320÷60≈3413h

　　2臺轉(zhuǎn)爐的吹煉時(shí)間按一臺轉(zhuǎn)爐的1.5倍計(jì)算（兩臺轉(zhuǎn)爐有一起吹煉的情況）是：3413×1.5≈5120h

　　非吹煉時(shí)一年消耗的電量為：271×（320×24-5120）=693760kwh

　　改造后一年風(fēng)機(jī)系統(tǒng)消耗的總電量約為：693760+6476800=7170560kw.h

　　改造后經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，通過測算，采用高壓變頻器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)調(diào)速后比改造前平均節(jié)電10%以上，也就是一年約節(jié)電70多萬kw.h，折合電費(fèi)35萬元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

　　此外，采用變頻調(diào)速后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流明顯減小，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，同時(shí)減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械的損傷，有效地延長了電機(jī)的使用壽命。由于高壓變頻器的高可靠性使得一次除塵系統(tǒng)故障率降低，工人的維護(hù)量明顯減少，高壓變頻器維護(hù)比較容易，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還提高了煤氣回收系統(tǒng)的煤氣回收效率。

5 結(jié)束語

　　轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過改造，投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了改造前預(yù)定的目標(biāo)，有效節(jié)約了能源，我們的良好的監(jiān)控和可靠性措施提高了除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工作效率，杜絕了由于除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)故障出現(xiàn)的停爐事故，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有廣闊的行業(yè)推廣應(yīng)用前景。