高壓變頻器在福建三鋼4#除塵風機中的應用

福建三鋼閩光股份有限責任公司 陳福海 蔣友劍 彭金坤


1、引言
　　三鋼煉鋼廠原有15t氧氣頂吹轉爐三座，采用“三吹三”方式，轉爐吹煉過程中，爐口會排出大量棕紅色的煙氣，煙氣溫度高、含有易燃氣體和金屬顆粒，按照我國1996年頒布的《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297一1996），對煙氣必須冷卻、凈化，由引風機將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統中備用。因此，每座轉爐需配有一套除塵系統，除塵系統采用二級文氏管煙塵凈化方式，煙道直徑Φ1.7m,煙氣輸送管線820mm，風機型號AI850，電機功率630KW/6KV。由于轉爐周期性間斷吹氧，為滿足節能和環保要求,要求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。2000年初，煉鋼廠對三座轉爐進行擴容改造，將風機移至地面，采用液力偶合器調速，高速2700r/min（設計2900r/min），低速1200r/min。經過一段時間的運行，發現液力偶合器技術存在著局限性，主要表現在：
調速范圍在30%～90%之間，轉速不穩定；而且低速1200r/min仍然偏高，造成能源浪費，高速運行時，液力偶合器有時失速，轉爐爐口冒煙；
液力偶合器需經常更換軸承，造成轉爐停產，不能滿足連續生產的需要。
電動機的效率低，損耗大，尤其低速運行時，效率極低；
調節精度低、線性度差，響應慢；
啟動電流仍比較大，影響電網穩定；
液力偶合器故障時，無法切換至工頻旁路運行，必須停機檢修；
漏油嚴重，對環境污染大，地面被油污蝕嚴重；
　　鑒于液力偶合器存在上述眾多問題，因此在2001年，煉鋼新上一座30t轉爐時決定不再使用液力偶合器調速，改用高壓變頻器為新轉爐風機進行調速。
2、高壓變頻器技術要求及改造方案
　　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，還有可能威脅到現場生產人員的人身安全；另外，調速系統工作的環境比較惡劣；同時轉爐又周期性間斷吹氧；所以，和除塵風機配套的高壓調速系統，要求具有極高的可靠性。基于以上工作特點，對變頻調速系統的主要要求如下：
要求變頻器要有高可靠性，長期運行無故障。
要求變頻器有旁路功能，一旦出現故障，可使電機切換到工頻運行。
調速范圍要大，效率要高。
具有邏輯控制能力，可以自動按照吹氧周期升降速。
有共振點跳轉設置，能使電機避開共振點運行，讓風機不喘震。
　　經過多方調研、比較，最后決定采用北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器，通過雙方技術人員的合作，共同制定了4#轉爐除塵風機的變頻改造方案，改造方案如下：
2.1 設備配置


　　KM：變頻器供電的高壓真空斷路器
　　KG1、KG2、KG3：高壓變頻器內置真空接觸器，由廠家提供
　　BPQ：HARSVERT-A06/076變頻器
　　DJ：630KW/6KV異步電動機。
　　KM為原有高壓真空開關。
　　DJ保留原有異步電機
　　要求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，通過操作臺工頻/變頻旋鈕把電機切換到工頻電網運行，當吹煉周期結束后，檢修變頻器。變頻器檢修完畢后，通過把操作臺工頻/變頻旋鈕打到變頻位置，返回變頻調速狀態。本機控制時，通過變頻器控制柜工頻/變頻旋鈕把電機切換到工頻電網運行，當吹煉周期結束后，檢修變頻器。變頻器檢修完畢后，通過把變頻器工頻/變頻旋鈕打到變頻位置，返回變頻調速狀態。
2.2 電機及風機參數


1）電機參數： 　　　　　　2）風機參數：
型 號： Y4004-2　　　　　型號：AI850
額定功率： 630KW　　　　進氣容積流量：850m3/min(混合煤氣)
額定電壓： 6KV　　　　　壓力增加值： 2600mmH2O
額定頻率： 50Hz　　　　　進氣溫度： 35℃
額定電流： 73A　　　　　　主軸轉速： 2975rpm
額定效率： 92.5% 　　　　額定功率因數：0.89
額定轉速： 2970rpm　　　軸功率： 500kw
2.3 除塵風機工藝要求
1）吹煉工藝周期
　　A到B為兌鐵加廢鋼時間,約1分鐘。
　　B到C為風機升速時間，暫定1分鐘，可以調節。
　　C到D為吹氧時間，約14分鐘。
　　D點風機開始減速，暫定3分鐘，可以調節。
　　D到E為倒爐測溫取樣時間，約2分鐘。
　　E到F為出鋼時間，約2分鐘。
　　F到G為濺渣時間，約3分鐘。
　　整個吹煉工藝周期約26分鐘，其中高速時間（C到D）12分鐘。高速定為45Hz,可以調節；低速定為20Hz,可以調節。
2）變頻器和現場接口
　　在B點，將爐前、爐后和氧氣流量信號送到4#爐電磁站PLC電氣站，通過用戶程序處理后，輸出到繼電器，由繼電器提供一對閉合節點（繼電器吸合時，變頻器高速運轉；繼電器釋放時，變頻器低速運行），當在爐前操作并有氧流量時，繼電器吸合，變頻器開始從低速向高速升速，在C點現場操作工進行吹煉。在D點，準備出鋼，爐前工轉換開關轉到爐后或沒有吹煉的時間超過15分鐘，繼電器釋放，變頻器開始降速，降速時間不作具體要求，但在減速過程中如果需要提速，變頻器應能滿足提速要求。爐前、爐后和氧氣流量信號組合圖PLC程序如下圖所示。　　　



　　程序控制說明：爐前操作吹煉時，接點M20.1和M2.0通，將置位復位觸發器RS置位，此時Q20.2有輸出，同時由Q20.2輸出驅動中間繼電器，從而由繼電器接點送給高壓變頻器高低速信號（繼電器通為高速，斷為低速）；當爐前工轉換開關轉到爐后或沒有吹煉的時間超過15分鐘時，T44或T45或M20.2通，置位復位觸發器RS復位，Q20.2沒有輸出，繼電器釋放，變頻器降速。
3）變頻器技術指標
　　輸入電壓：三相交流有效值 6.3KV±10%
　　輸入頻率：50±5Hz
　　輸出電壓：三相正弦波電壓0-6KV
　　輸出頻率：0-50Hz
　　頻率分辨率：0.01HZ
　　加速時間：可按工藝要求設定
　　減速時問：可按工藝要求設定
　　頻率設定方式：高低兩級速度，可在0-50Hz范圍內調整
　　故障診斷及檢測：自動檢測，自動定位
　　網側功率因素：0.95（高速時）
　　過載保護：120%l分鐘（每10分鐘）、150%立即保護
　　防護等級：IP20
　　環境溫度：0-40℃
　　環境濕度：90%,無凝結
　　海拔高度：1000米以下
3、高壓變頻器調速系統
3.1 監控和操作
　　除塵風機在不吹煉時，只需要很低的轉速，根本不需要滿負荷運轉。利用高壓變頻器根據實際需要對除塵風機進行變頻運行，既保證和改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。
　　采用高壓變頻調速系統對除塵風機進行高壓變頻改造具體實現過程如下：變頻器操作可以在本機控制，也可以遠程操作。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(如RS485)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。變頻器也可由控制室的上位機或操作臺進行操作，吹煉時（B到D），變頻器高速運行，不吹煉時，變頻器低速運行。可以根據工況需要自由設定，完全可以滿足工藝要求。變頻調速風機控制系統圖如下：


　　現場操作人員可以通過上位機或操作臺對變頻器進行遠程操作并監控變頻器運行狀態。
　　上位機：可以通過上位機進行遠程監控，一方面便于用戶隨時了解設備運行情況，另一方面，也利于設備的遠程診斷和維護，故障問題可以及時得到解決。
　　操作臺：可以通過操作臺對變頻器進行簡單的遠程操作，包括：工頻/變頻切換。
3.2 高壓變頻調速系統原理
　　HARSVERT高壓變頻調速系統采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串并聯而成，從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出，它對電網諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，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；輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，630kW/6kV變頻系統共有21個功率單元，每7個功率單元串連構成一相。其系統結構和配置圖如圖（a）、（b）：其系統工作原理如下：


(a) 采紋結構圖


(b) 系統質量圖

（1）功率單元
　　每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。
　　單元旁路功能：當某個功率模塊發生故障時自動旁路運行，變頻裝置不停機，但需降額使用，即在每個功率單元輸出端之間并聯旁路電路，當功率單元故障時，封鎖對應功率單元IGBT的觸發信號，然后讓旁路SCR導通，保證電機電流能通過，仍形成通路。為保證三相輸出電壓對稱，在旁路故障功率單元的同時，另外兩相對應的兩個功率單元也同時旁路。對于6kV的變頻器每相由7個功率單元串聯而成，當每相1個單元被旁路后，每相剩下6個功率單元，輸出最高電壓為額定電壓的85%，輸出電流仍可達到100%，輸出功率仍可達到85%左右，對于風機、水泵負載轉速仍可達92%以上，基本能維持生產要求，大大提高了系統運行的可靠性。
（2）變壓器柜
　　主要包括為功率單元供電的移相變壓器，還有輸入側的電壓、電流檢測器件電壓互感器和電流互感器，以及溫度檢測器件溫控器。
（3）功率柜
　　柜內主要對功率單元進行組合，通過每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，得到非常好的PWM波形，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器，輸出電纜長度長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉輪的機械應力。柜內還附帶輸出電流和電壓檢測功能。
（4）風機
　　變壓器柜配置6臺冷卻風機，由溫控儀控制其起停，當變壓器負荷增大，運行溫度上升，繞組溫度達80℃時，系統自動啟動風機冷卻；當繞組溫度低至70℃時，系統自動停止風機。當變壓器繞組溫度繼續升高，若達到110℃時，系統輸出超溫報警信號；若溫度繼續上升達130℃，變壓器迅速跳閘。柜體上還設置了溫度顯示系統。功率柜根據功率大小配置2臺具有世界領先技術，德國進口EBM－后向離心式冷卻風機(裕量大，單臺容量占總排量的50%)；如需將熱量直接排至室外，可增設風道。
（5）控制柜
　　控制器核心由高速單片機和工控PC協同運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器還包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(包括DCS/RS485/Profibus/Modbus/以太網等)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。
3.3 保護功能
　　變頻裝置有過電壓，過電流，欠電壓，缺相，變頻器過載，變頻器過熱，電機過載等保護功能變頻：
1）過載保護。電機額定電流的120%，每10min允許1min（反時限特性），超過則保護。
2）過流保護。電機額定電流的150%，允許3s，超過則立即保護。變頻器輸出電流超過電機額定電流的200%，在10μs內保護。
3）過壓保護。檢測每個功率模塊的直流母線電壓，如果超過額定電壓的115%，則變頻器保護。此保護4）實際上包括了對電網電壓正向波動的保護。
欠壓保護：檢測每個功率模塊的直流母線電壓，如果低于設定的數值，則變頻器先降壓再保護。此保護實際上包括了對電網電壓負向波動的保護。
5）過熱保護。包括兩重保護：在變頻調速系統柜體內設置溫度檢測，當環境溫度超過預先設置的值時，發報警信號；另外，在主要的發熱元件，即整流變壓器和電力電子功率器件上放置溫度檢測，一旦超過極限溫度（變壓器130℃考核、功率器件80℃），則保護。如電機提供溫度接點和溫度模擬信號輸送到PLC，可進行電機過熱保護。
6）缺相保護。缺相保護設置在每個功率模塊上。當變頻器輸入側掉相或功率模塊的保險熔芯融化時，會發出報警信號并保護。
7）光纖故障保護。當控制器與功率模塊之間的連接光纖出現故障時，會發出報警信號并保護。
　　所有故障，均在中文用戶界面上指定故障確切位置，便于用戶采取應對措施。
　　變頻裝置有隔離變壓器的各種保護。
4、設備運行情況
　　1、運行穩定，安全可靠。原來使用液力偶合器大概40天左右就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來的巨大的經濟損失。HARSVERT-A06/076變頻器具有免維護的特點，只需定期清洗柜門上的通風濾網，不用停機，保證了生產的連續性。從1月4日投入運行以來，一直正常運轉，沒有出現故障。
　　2、節能效果顯著，大大降低了噸鋼電耗。
　　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，避免了風機長期在共振點運行，使風機工作平穩，風機軸承磨損減少，延長了電機、風機的使用壽命和維修周期，提高了風機的利用效率。
　　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、變頻器同現場信號無縫接口，滿足生產的需要。變頻器內置PLC，現場信號接入靈活。4#轉爐電磁站PLC電氣站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；變頻器自帶轉速測定，原來同電機相連的測速器也被取消，由變頻器為現場直接提供電機轉速指示。
　　6、適應電網電壓波動能力強，有時電網電壓高達6.7KV，變頻器仍能正常運行。
　　7、同液力偶合器比較，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，減少了機油對環境的污染，使風機房的現場環境有了極大改善。
5、節能分析
　　4#風機高壓變頻器投入使用以來，運行情況良好，基本達到預期的節能目的。
　　風機高速運行（約占三分之二時間）時，由于功率因數的提高，電流降為43A，三分之一時間低速，電流已降到4A左右，以煉鋼廠轉爐變電所電度表（2003年1月10日~2003年2月10日）顯示，當月耗電：20.16萬度，年耗電量可估算為：240.3萬度。
　　4#轉爐風機未采用變頻時，運行電流為73A，以煉鋼廠轉爐變電所電度表(2001年12月20日~2002年12月20日)顯示,年耗電量為：541.278萬度。
　　根據目前4#除塵風機變頻器的運行來看，可為煉鋼廠多節約用電，具體數據如下：
　　1、4#除塵風機高壓變頻器改造前后，今年和去年同期相比，以噸鋼電耗來分析節能數據（單位：度/噸鋼），如表1所示：


　　從表2數據統計看，2003年1～5月同2002年1～5月相比，4#除塵風機共節約用電80.5萬度，平均每月節約用電16.5萬度，年節電量可估算為：16.5×12=198萬度。以電價0.51元/度計算，4#除塵風機年節電總額為：198×0.51=100（萬元）
6、結束語
　　從幾個月的運行情況來看，北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A06/076高壓大功率變頻器性能好，可靠性高，節能效果明顯，滿足連續生產對調速系統的要求，我公司在1＃除塵風機中也采用北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器調速。