高壓變頻器在轉爐除塵風機系統改造中的應用

1 引言

　　電機是能源消耗大戶之一。我國電機總裝機容量已達4億kw，年耗電量達6000億kw·h，占工業耗電量的80%；低壓電機數量是中高壓電機的幾十倍，但耗能僅為中高壓電機的1/8，所以降低中高壓電機的能源消耗意義重大，前景誘人。對于風機和泵類負載，如采用調速的方法改變其流量，節電率可達20%～60%。基于以上原因，各種類型的變頻器因其在交流調速領域的廣闊應用前景從問世以來一直是各方面關注的焦點。低壓變頻器的技術發展已相當成熟，在節約能源方面已取得了很大成效。現在，中高壓變頻器因其在節約能源方面的巨大潛力成為了各國研究的重點。

　　風機、泵類設備多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊大、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備的使用壽命，而且當負載出現機械故障時不能瞬時動作保護設備，時常出現泵損壞，同時電機也被燒毀的現象。采用變頻調速器，易操作、免維護、控制精度高，并可以實現高功能化等特點。

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

　　基于以上原因，我們廠決定對現有的轉爐除塵風機系統進行改造，這也是節約能源，提高效益的需要。

2 轉爐除塵風機系統的工藝介紹

　　轉爐在吹煉鐵水的過程中，爐口會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，所以必須對煙氣進行除塵處理，然后將氣體送至煤氣回收系統，對其中的可燃氣體co進行回收再利用。除塵系統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。

　　我們廠內共有2臺60t轉爐，2臺轉爐共同接一套風機除塵系統，除塵系統有1臺6kv的電機帶1臺風機，電機的主要參數如附表所示。

　　由于轉爐煉鋼是周期性間斷吹氧，這就要求除塵系統風機在整個煉鋼工作周期內變速運行，吹氧時高速運行，不吹氧時低速運行。除塵風機系統改造前，我們采用液力耦合器對除塵風機進行調速，經過長時間的運行，發現液力偶合器技術存在明顯的不足，主要表現在：調速范圍不夠寬，一般在額定轉速的30%～90%之間，造成能源浪費；除塵風機高速運行時，液力偶合器有時失速，造成轉爐爐口冒煙；液力耦合器需經常更換軸承進行檢修，造成轉爐停產，影響了生產效率的提高；使電機轉速不穩定，電機損耗增大；調節精度低、線性度差，響應慢；啟動電流仍比較大，干擾電網，影響電網穩定；漏油嚴重，對環境污染大，嚴重影響廠區環境。

　　液力耦合器調速的不足也迫切地要求我們對原來的除塵風機系統進行改造。

3 除塵風機系統的改造方案

　　3.1高壓變頻器調速方式的選擇

　　高壓變頻器根據高壓組成方式可分為高-高型和高-低-高型，根據有無中間直流環節，可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，在交-直-交變頻器中，按中間直流濾波環節的不同，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行分析，指出各自的優缺點。

　　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，經低壓變頻器變頻變壓后，再經輸出變壓器即升壓變壓器升壓后，供給高壓電動機。高-低-高型高壓變頻器由于經歷兩次電壓變換，增加了電能損耗，影響了節能效果，并且占地面積大，還產生了大量的高次諧波，具有較明顯的缺陷。由于這種技術難度相對較少，投資相對較低，故適用于功率較小的高壓電動機。

　　高-高型高壓變頻器采用若干個獨立的低壓功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，高—高型高壓變頻器中的單元串聯多電平pwm電壓源型變頻器具有對電網諧波污染小、輸入功率因數高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發熱和轉矩脈動、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步動機。單元串聯多電平變頻器的輸出電壓可以達到10kv，甚至更高。

　　電流源型變頻器技術成熟，且可四象限運行，但由于高壓時器件串聯的均壓問題，輸入諧波對電網的影響和輸出諧波對電機的影響等問題，使其應用受到限制。而且變頻器的性能與電機的參數有關，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，對電機的絕緣有影響。

　　比較以上類型高壓變頻器，由于單元串聯式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網的諧波污染小，輸出適用普通電動機，近幾年來發展迅速，在我國得到廣泛應用，尤其在風機水泵等節能領域，因此我們選擇單元串聯多電平電壓源型變頻器。

3.2 高壓變頻器品牌、型號的選擇

　　除塵風機是除塵凈化系統的動力中樞，一旦除塵風機不能正常運行，不但影響生產，造成巨大的經濟損失，還可能威脅到現場生產人員的人身安全，所以要求高壓調速系統具有極高的可靠性。

　　國外多家公司已經推出成熟的高壓變頻產品，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。國內的高壓變頻器公司有北京利德華福、山東新風光、湖北三環、廣州智光等。我們經過多方考察、比較，選用了北京利德華福的harsvert-a系列高壓變頻調速系統，高壓變頻調速系統采用單元串聯多電平技術，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臺轉爐已經上了一套煤氣回收自動化系統，控制系統采用的是西門子公司的s7-400系統，由于新加的高壓變頻系統控制點數不多，我們決定將高壓變頻系統集成到煤氣回收控制系統中，這樣可以節省成本。

　　高壓變頻系統可以遠程和本機控制。風機高速運行時，如果變頻器出現嚴重故障，變頻器自動停機。遠程控制時，高壓變頻器按照plc控制器編好的程序自動運行，操作人員在主控室通過上位機監控畫面監控；本機控制時，plc控制器不能自動控制高壓變頻器，操作人員必須在現場從高壓變頻柜上設定變頻運行的頻率和參數，手動啟停變頻器，變頻器進行檢修的時候必須打到本機控制。

　　轉爐的吹煉具有明顯的周期性，每臺轉爐一個完整的吹煉工藝周期約20min，我們設定了3個速度：高速45hz可調、中速38hz可調、低速10hz可調。高速在2臺轉爐同時吹煉時使用，中速在只有1臺轉爐吹煉時使用，非吹煉時間切換到低速。

　　變頻器通過profibus現場總線網絡和原有的煤氣回收控制系統連接，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絡傳輸，通信信號穩定、可靠。

4 節能效益分析

　　2臺轉爐除去檢修時間和故障停產時間，按年運行320天計算，平均每天每臺轉爐出鋼32爐，每爐的吹煉時間為20min，那么一年一臺爐的吹煉時間為：20×32×320÷60≈3413h

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

　　非吹煉時一年消耗的電量為：271×（320×24-5120）=693760kwh

　　改造后一年風機系統消耗的總電量約為：693760+6476800=7170560kw.h

　　改造后經過一段時間的運行，通過測算，采用高壓變頻器實現轉爐風機調速后比改造前平均節電10%以上，也就是一年約節電70多萬kw.h，折合電費35萬元，經濟效益相當可觀。

　　此外，采用變頻調速后，系統實現軟啟動，電機啟動電流明顯減小，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，同時減輕了起動機械轉矩對電機機械的損傷，有效地延長了電機的使用壽命。由于高壓變頻器的高可靠性使得一次除塵系統故障率降低，工人的維護量明顯減少，高壓變頻器維護比較容易，降低了工人勞動強度，而且還提高了煤氣回收系統的煤氣回收效率。

5 結束語

　　轉爐除塵風機系統經過改造，投運后運行穩定，達到了改造前預定的目標，有效節約了能源，我們的良好的監控和可靠性措施提高了除塵風機系統的工作效率，杜絕了由于除塵風機系統故障出現的停爐事故，實踐證明，該系統具有廣闊的行業推廣應用前景。