高壓變頻器在轉爐煙氣凈化及煤氣回收系統中的應用

昆明鋼鐵公司第二煉鋼廠于70年代初建成投產，原設計為3座公稱容量15t的轉爐。2000年對轉爐進行了擴容和氧槍改造。該廠現主要工藝設備有：3座容量為20t的轉爐，1座600t混鐵爐和1座300t混鐵爐，3個吹氬（氮）站。連鑄車間現有4臺弧形方坯連鑄機，其中2臺連鑄機外弧半徑為5.25m，澆鑄斷面為120×120(mm)，2臺連鑄機年生產能力達40萬t；另2臺連鑄機外弧半徑為7m，澆鑄斷面為150×150(mm)，2臺連鑄機年生產能力達55～60萬t。

2001年昆鋼二煉鋼全年共產鋼90.6萬t，連鑄坯88.78萬t。轉爐平均出鋼量為22t/爐，裝入量為24t/爐。2002年二煉鋼全年共產鋼104.5萬t。

昆鋼2003年對轉爐進行了再次擴容，擴容后轉爐裝入量達到30t/爐，年鋼產量達到150萬t。為實現150萬t綜合產能，除了對轉爐擴容外，還必須提高轉爐作業率和縮短冶煉周期，增加供氧強度，提高最大脫炭速度。

轉爐煙氣凈化及煤氣回收系統隨轉爐擴容改造同步進行，轉爐最大脫碳速度為0.57%C/min，在煤氣回收期最大爐氣量為20000m3/h（標準狀態），按燃燒系數10％計算，煙氣凈化系統煙氣量為23176m3/h（標準狀態）。3座轉爐分別設置新的獨立的煙氣凈化（裝置）系統（又稱轉爐一次除塵系統），共用1套煤氣回收（裝置）系統。采用OG法濕式系統對煙氣進行冷卻凈化并回收煤氣。每套系統采用D1100煤氣風機（66000 m3/h，24658Pa，2900r/min，效率95.5%）一臺，配用的YB630S1-1電機裝機功率為800kW（6000V，90.6A，2950r/min，功率因數0.89）。

風機調速方案的確定

轉爐在冶煉時煤氣風機高速運行，轉速為2900r/min;在兌鐵水和出鋼過程中，為節約電能煤氣風機低速運行，轉速為800～1000r/min。

風機調速20多年來出現了多種方式，如液力耦合器、變頻調速等，由于技術和經濟兩方面的原因多年來普遍采用液力耦合器。國產變頻調速在幾年前技術上不很成熟且無法提供高壓大功率裝置，若進口則一次性投資太高，而液力耦合器最大的優勢是投資便宜。

高壓交流變頻調速技術是上世紀90年代發展起來的新型電力傳動調速技術，特別是90年代后期國產變頻器得到了迅猛發展。目前高壓變頻調速技術所需要的核心電力電子器件及控制技術，對于交—交高壓變頻器中的功率變換器件采用普通晶閘管TH，光控晶閘管LATT，門極可關斷晶閘管GTO等；而對于交—直—交高壓變頻器的功率變換器件，則采用IGBT，MCT，GTO，集成發射式門極晶閘管IEGT，集成門極強驅動晶閘管IGCT，SGCT等。控制方式采用PWM控制，控制系統采用數字信號處理器加FPGA控制；繼電保護采用PLC系統，高低電位隔離大部分采用光纖傳輸，也有采用電磁隔離的，人機界面采用PMU等液晶觸摸操作屏。國產變頻器技術已很先進，與進口產品相比在技術水平上無大的差距。

目前，若采用進口高壓變頻器，其投資約為2000～2500元/kW，比傳統的液力耦合器貴10～12倍；而近年來國產高壓大功率變頻器技術已趨向成熟，價格約為800～1000元/kW，比傳統的液力耦合器貴4～5倍。

高壓變頻調速技術是集電力電子、微電子、電力拖動、高壓技術、高低壓隔離和信號傳輸一體的高難技術，它的高壓大容量化，實用化，省維護，高效，顯著的節能效果等高性能技術指標，在各行業特別是電力行業得到了越來越廣泛的應用。

本工程為節約一次投資，決定先在№1轉爐的除塵系統中采用高壓變頻器（帶有試用性質），其它№2、№3轉爐采用液力耦合器調速方案，在系統投運一年后更換為變頻器，要求在設計中充分考慮到今后更換高壓變頻器的可行性和盡可能的縮短更換時間，因此在設備基礎設計中預留了更換為變頻器時的電機基礎二次澆灌孔和變頻器的安裝位置。

№2、№3轉爐煙氣凈化及煤氣回收系統采用的液力耦合器技術參數如下：

型號：YOTGC450防爆調速型；

輸入轉速：2900r/min；

傳遞功率范圍：430～900kW；

額定滑差率：1.5～3%；

液力耦合器配電動執行器：DKJ（DKZ）型，輸入信號：0～10mA，220V。

高壓變頻器的技術性能

煤氣風機是轉爐煙氣凈化及煤氣回收系統的動力中樞，一旦煤氣風機不能正常運行，將會影響生產，造成巨大的經濟損失。

1 煤氣風機變頻調速裝置應達到的要求

（1）要求變頻器具有高可靠性，應基本上長期運行無故障。

（2）要求變頻器有完善的旁路功能，一旦出現故障，可以先切換到單元旁路下運行，同時也可以使電機切換到工頻運行。

（3）調速范圍要大，效率要高。

（4）具有邏輯控制能力，可以在聯鎖狀態下自動按照冶煉周期升降速。

（5）有共振點跳轉功能，能使電機避開共振點運行，讓風機不喘振。

本工程№1轉爐煙氣凈化及煤氣回收系統采用的高壓變頻器基本上可以滿足以上要求。

2 高壓變頻器的技術性能參數

型號：DFCVERT-MV-1000/6B

（1）輸入參數

額定電壓：三相交流6.3kV±10％；

頻率：50Hz；

輸入側電流畸變率：＜4%（30%負載以上）；

輸入側功率因數：＞0.96（20%負載以上）；

輸出側電流畸變率：＜3%；

效率：96％。

（2）輸出參數

容量：1000kVA（適配電機功率800～850kW）；

額定輸出電壓：6kV；

額定輸出頻率：50Hz；

輸出頻率范圍：0.1～50Hz；

頻率分辨率：0.01Hz；

升降速時間：1～3000s可調；

電流波形：完全正弦；

（3）其他參數

防護等級：IP31；

環境溫度：0～40℃；

環境濕度：90%,無凝結；

海拔高度： 1860m；

高低速邏輯控制功能（加減速時間均可按工藝要求設定）；

具有標準PID控制功能；

具備故障查詢功能，與上位機聯機后可以打印故障；

支持DCS、ProfiBus網絡化運行；

支持遠端操作顯示；

輸入輸出保護：輸入缺相、欠壓、過壓、過流；輸出過流、缺相、不平衡等；

內部保護：過載、過熱、通訊故障、單元自動旁路故障單元等。

3 高壓變頻器供電原理

高壓變頻器供電原理如圖1所示。

圖1 高壓變頻器供電原理圖

圖1原理圖中，K1、K2、K3為變頻器的旁通柜，K1、K2與K3互鎖，對電機進行變頻改造對原供電系統改動較小，可在較短時間內完成改造工作，K3的作用可使變頻在有故障的情況下工頻旁通。

4 液力耦合器與高壓變頻器的運行對比

№1轉爐煙氣凈化及煤氣回收系統的高壓變頻器于2003年8月開始安裝，9月20日隨改造后的№1轉爐和煙氣凈化及煤氣回收系統同步投產。采用液力耦合器的№2、№3轉爐分別于10月和11月投運。在同一個風機房內有兩種不同的調速裝置在同時運行，為對比兩種類型的調速裝置運行效果創造了條件。№2、№3轉爐的液力耦合器在投運幾個月后相繼出現故障，分別于2004年3月和4月換成了高壓變頻器。對液力耦合器和變頻器的運行過程進行了考察和數據分析，其主要不同點如下：

（1）采用液力耦合器調速裝置，在低速向高速運行過程中，延遲性較明顯，不能快速響應，一般需120～180s才能達到由低速到高速的過程；同時這時候的電流較大，如整定不好會引起高壓跳閘，影響系統穩定性。而高壓變頻器響應速度快，一般在1～3s由低速達到高速。在由高速到低速的過程，液力耦合器一般需要120～180s的時間；高壓變頻器一般需要90s左右的時間，否則，電機向電網饋電，高壓系統迅速跳閘，CRT顯示為高壓故障。

（2）液力偶合器控制精度差，在設定調速轉速后，轉速在不停的跳動，基本上不能固定在設定數值上，這主要是液力耦合器的滑差和勺管受設備振動上下躥動的結果。高壓變頻器可恒定在設定轉速上，而不受設備振動影響。

（3）液力耦合器調速范圍窄，通常在30％～97％之間；高壓變頻器可在5～100％之間。液力耦合器不能實現電機和風機同步轉速，這是大家都知道的，而變頻器可實現同步轉速。

（4）電機啟動時，采用液力耦合器時沖擊電流較大，影響電網的穩定，而變頻器沒有此問題，可實現零電流到額定電流的平緩過渡。

（5）在風機高速運行時，液力耦合器有丟轉現象（其它工程也出現過這種情況），影響煙塵捕集效果，相對的變頻器運行穩定。

（6）液力耦合器在調速運行時產生機械損耗和轉差損耗，效率較低，造成電能浪費，而變頻器實現了風機和電機的直聯運行不存在此問題。

（7）液力耦合器工作時是通過一勺管調整工作腔的充油量，從而改變傳遞扭矩和輸出轉速來滿足工況要求。因此，對工作腔及供油系統需經常維護及檢修。相對的液力耦合器經過一段時間使用后，其維護費用較高。變頻器相對維護費用低。

（8）液力耦合器故障時，無法再用其它方式使其拖動的風機運行，必須停機檢修。變頻器故障時可旁路通過，不影響風機運行。

（9）采用液力耦合器時風機和電機的運行噪音大，達到90dB（A）左右，影響操作人員的身體健康。

5 液力耦合器與高壓變頻器運行的經濟性分析

轉爐改造后冶煉周期為23min，其中吹氧時間為10～12min，其它為13～11min。高速狀態變頻器為43Hz（2500r/min）；低速狀態變頻器為18Hz（1000r/min）。當煤氣風機在額定轉速下運行時，風機振動很大，葉輪檢修周期縮短，影響鋼產量，因此，生產廠決定將風機高速設定為2500r/min。

每一冶煉周期煤氣風機高速運行狀態平均所需時間為10min，低速狀態平均所需時間為13min；按年工作8000h計算，則在一年里高速狀態的時間約3480h，低速狀態約4520h。采用變頻器和液力耦合器當煤氣風機運行在高速狀態和低速狀態時的電機輸入電壓和電流的實測值見附表。根據公式（1）可計算出采用高壓變頻器和液力耦合器在風機高、低速運行時電機的實耗功率也請如附表所示。

附表 風機高、低速運行時參數對比表

(1)

式中：P —電機實耗功率，kW；

I —輸入電機的電流，A；

V —輸入電機的電壓，kV；

Cosφ—功率因數。

采用變頻調速和采用液力耦合器調速與采用變頻器調速裝置運行的節能率是按公式（2）計算的。

(2)

式中： η —高壓變頻器節能率，％；

PE —采用高壓變頻器時電機實耗功率，kW；

PO —采用液力偶合器時電機實耗功率，kW。

從附表可看出，采用變頻器調速，有良好的節能效果，每年可節約電能593840kW·h，按0.54元/kW·h計算，每年可節約電費32萬元，設備費高出部分的投資約3年即可收回。

6 關于液力耦合器調速的思考

不改變異步電機同步轉速no的交流調速系統稱為有轉差調速系統，液力耦合器調速系統就是典型的轉差調速系統，該種調速系統有轉差損耗ΔPs，調速后節約功率的標定值G(s)為：

(3)

式中： n —電機運行轉速，r/min；

no —電機同步轉速，r/min。

液力耦合器在有風機等負載轉矩M時，ΔPs、(s)與轉速的關系如圖2所示。

圖2 不同負載時ΔPs、G(s)與n/n0的關系曲線

由圖2看出風機在額定轉速的0.667時轉差損耗最大，此時液力耦合器效率最低。因此，在工程工況設計和系統運行管理中應避免出現此種調速狀態，一般情況應采用低速為0.3額定轉速，高速為額定轉速下運行，采用高壓變頻器低速可設為0.1額定轉速。

7 高壓變頻器的優點

（1）高壓變頻器運行穩定，安全可靠。使用液力耦合器大約40天左右，就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來很大的經濟損失。變頻器具有免維護的特點，在不停機狀態下定期更換柜門上的通風濾網即可，保證了生產的連續性。

（2）節能效果較為顯著，大大降低了噸鋼能耗。

（3）電動機實現了真正的軟啟動、軟停運，變頻器提供給電機的無諧波干擾的正弦波電流，降低了電機的故障次數。同時，變頻器設置共振點跳轉頻率，避免了風機會處于共振點運行的可能性，使風機工作平穩，風機軸承磨損減少，延長了電機和風機的使用壽命和維修周期，提高了設備的使用壽命。

（4）變頻器自身保護功能完善，同原來繼電保護比較，保護功能更多，更靈敏，大大加強了對電機的保護。

（5）變頻器同現場信號采用可靠的連接方式，控制方便，性能可靠，滿足煉鋼生產的需要。變頻器內置有PLC，現場信號接入靈活。在控制邏輯上，由現場（轉爐）為變頻器提供一對高速、低速節點，變頻器按照節點的狀態自動高速、低速往復運行；由變頻器自身的頻率輸出進行轉速測定，可以取消原來同電機相連的測速器，由變頻器為現場直接提供電機轉速指示。

（6）設備適應電網電壓波動能力強，有時電網電壓高達6.9kV，或者電壓低至5.5kV變頻器仍能正常運行。

（7）同液力耦合器比較，在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承或者對液力耦合器進行維修，避免了機油對環境的污染，使風機房的現場環境有了極大改善。

（8）由于電機降速運行以及工作在高效率區，因此電機和軸承的溫升都明顯低于采用液力耦合器的系統，可延長風機系統的使用壽命。

高壓變頻器有比較好的節能效益，具有高效率、高精度、寬調速范圍的調速性能，完善的保護功能和自控功能，近年來在國內得到了廣泛應用。

轉爐煉鋼廠需要配置調速的除塵系統比較多，如轉爐煙氣凈化及煤氣回收系統（一次除塵系統），轉爐二次除塵系統，混鐵爐、倒罐站除塵系統等等。目前國內采用高壓變頻器用于這些除塵系統調速的比較少，有認識上的問題，也有技術和經濟方面的問題。采用高壓變頻器調速可使風機工作狀態調整到準確的工藝要求工況，可以節電、節約冷卻水、降低生產成本，為企業帶來較大的經濟效益。在轉爐煤氣回收上還可增加煤氣回收量，降低噸鋼能耗，提高能源利用率。

高壓變頻器在高速到低速的切換時間上需要進一步改進，重點解決向電網饋電問題，同時在防塵要求方面應降低苛刻要求，提高變頻器的適應環境，解決變頻器的散熱問題，通風散熱方式應進一步改善。