高壓變頻器在杭鋼混鐵爐除塵風(fēng)機上的應(yīng)用
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【摘要】本文結(jié)合混鐵爐轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機的生產(chǎn)工藝，綜述了高壓變頻器的性能特點及系統(tǒng)原理，同時詳細(xì)說明了整體施工方案，從而證實了變頻器在杭鋼有著很大的節(jié)電效果。
【關(guān)鍵詞】混鐵爐 高壓變頻器 交鑰匙工程 節(jié)能降耗
一、 引言
杭州鋼鐵集團轉(zhuǎn)爐煉鋼廠設(shè)置兩座600T混鐵爐，且有一個傾翻工位和一個大包倒小包工位。每座混鐵爐設(shè)有一個進(jìn)鐵口和一個出鐵口，傾翻工位相當(dāng)于混鐵爐進(jìn)鐵口。當(dāng)混鐵爐進(jìn)鐵或出鐵時，高溫的鐵水會同空氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的煙氣。一方面對現(xiàn)場操作的工人不利，另一方面也對環(huán)境造成了巨大的污染�；扈F爐多種進(jìn)出鐵工況條件下風(fēng)量隨時變化，因此該除塵風(fēng)機需要多種速度來適應(yīng)。在以前的運行過程中，由于一方面液力耦合器不能適應(yīng)頻繁的調(diào)速，另一方面原設(shè)計現(xiàn)場閥門信號與風(fēng)機調(diào)速控制分屬兩個控制系統(tǒng)，兩者之間沒有信號聯(lián)系。因此原有除塵風(fēng)機運行方式基本為恒速運行，其運行轉(zhuǎn)速保持在約680rpm左右，運行電流約在150A，僅通過現(xiàn)場閥門及爐蓋開啟來達(dá)到除塵效果，同時為防止閥門全部關(guān)閉造成風(fēng)機振動過大，其中一臺大包倒小包閥門始終打開，大量風(fēng)量直接排空，導(dǎo)致大量有功功率浪費。此外液力耦合器低速運行時效率低下，為了提高風(fēng)機的運行效率，節(jié)能降耗，必須對風(fēng)機調(diào)速控制進(jìn)行改進(jìn)。
近幾年隨著國內(nèi)高壓變頻器技術(shù)的進(jìn)步，變頻器的性價比和穩(wěn)定性有很大幅度的提升，經(jīng)過考察，我廠最終選擇了北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的Harsvert-A系列高壓變頻器對風(fēng)機進(jìn)行調(diào)速控制。該項目采用節(jié)能還款合同形式，由杭州亞泰投資公司投資，整體項目為交鑰匙工程，于2006年12月份安裝調(diào)試完畢投入運行，至今已穩(wěn)定運行近四個月，給我廠帶來了巨大的效益。
二、混鐵爐除塵工藝工況及主電機參數(shù)介紹
1、混鐵爐除塵風(fēng)機工況：
混鐵爐系統(tǒng)除塵設(shè)計風(fēng)量：66萬立方米/小時
風(fēng)道漏風(fēng)損耗率設(shè)計： 10％
進(jìn)鐵水（或大包倒小包）除塵需要風(fēng)量：25萬立方米/小時
出鐵水除塵需要風(fēng)量： 6萬立方米/小時
進(jìn)鐵水除塵需要時間： 約10分鐘/次
出鐵水除塵需要時間： 約3分鐘/次
日出鐵水總次數(shù)： 約180次
日進(jìn)鐵水總次數(shù)： 約120次
進(jìn)鐵時，當(dāng)捕集罩關(guān)到位后，相應(yīng)的閥門打開。出鐵時，混鐵爐離開零位后，相應(yīng)的出鐵口閥門打開。
2、混鐵爐除塵風(fēng)機主電機的技術(shù)參數(shù)如下：
電機型號：Y710－8
額定功率：1600kW
額定電壓：6300V
額定電流：183.2A
功率因數(shù)：0.84
3、工藝要求：
現(xiàn)場提供具體工作情況分為以下6種工作情況：
1）：一個進(jìn)鐵口工作需要25萬m3/h；
2）：一個出鐵口工作需要6萬m3/h；
3）：兩個出鐵口同時打開需要風(fēng)量12萬m3/h ；
4）：一個進(jìn)鐵口一個出鐵口同時打開需要風(fēng)量31萬m3/h；
5）：一個進(jìn)鐵口兩個出鐵口同時打開需要風(fēng)量37萬m3/h；
6）：兩個進(jìn)鐵口同時打開需要風(fēng)量50萬m3/h。
三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)改造方案：
1、HARSVERT-A高壓變頻器的原理
采用高-高電壓源型，單元串聯(lián)多電平技術(shù)。電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，1600kW/6kV高壓變頻器每相由5個功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)3500V，線電壓達(dá)6kV左右。每個功率單元承受全部的電機電流，但只提供1/5相電壓和1/15的輸出功率，為單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。
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(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。給功率單元供電的二次繞組每3個一組，分為5個不同的相位組，互差12度電角度，形成30脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)。
2、本項目共配置1臺高壓變頻器，其詳細(xì)參數(shù)如下：
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變頻器型號 |
HARSVERT-A06/200 |
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適配電機功率 |
1600kW/6.3kV |
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額定輸出電流 |
200A |
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輸入功率因數(shù) |
0.95(帶負(fù)載20%以上) |
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變頻器效率 |
額定負(fù)載下＞0.96 |
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輸出頻率范圍 |
0.5 Hz到50 Hz |
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輸出頻率分辨率 |
0.01 Hz |
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過載能力 |
120﹪1min，150﹪1min |
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模擬量輸入 |
1～10V/4～20mA，任意設(shè)定 |
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模擬量輸出 |
1～10V/4～20mA，可選 |
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加、減速時間 |
0.1～3000s |
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控制開關(guān)量輸入/輸出 |
4路輸出/4路輸入 |
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冷卻方式 |
風(fēng)冷 |
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柜體防護等級 |
IP31 |
由于風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口沒有風(fēng)門，因此這次改造沒有安裝工頻旁路柜。
即用戶電網(wǎng)直接接高壓變頻器，然后接電機。
4、根據(jù)混鐵爐的工藝要求，我們在滿足除塵環(huán)保要求的前提下，為簡化控制邏輯，現(xiàn)場PLC直接根據(jù)出鐵口、進(jìn)鐵口的爐蓋位置開關(guān)狀態(tài)來控制變頻器的轉(zhuǎn)速，變頻器預(yù)設(shè)3個速度點，根據(jù)現(xiàn)場所需風(fēng)量不同自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。
現(xiàn)場送6個開關(guān)量信號進(jìn)PLC，在程序內(nèi)編程以達(dá)到變頻器高、中、低速運行。
| 狀態(tài) | 轉(zhuǎn)速 | 1號爐進(jìn)鐵風(fēng)口 | 1號爐出鐵風(fēng)口 | 2號爐進(jìn)鐵風(fēng)口 | 2號爐出鐵風(fēng)口 | 1號爐大包到小包 | 2號爐大 包到小包 |
備注 |
| 低速 | 300 rpm | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 無設(shè)備工作 |
| 中速 | 520 rpm | 0 | 1 | 0 | —— | 0 | 0 | |
| 0 | —— | 0 | 1 | 0 | 0 | |||
| 高速 | 680 rpm | 1 | —— | —— | —— | —— | —— | |
| —— | —— | 1 | —— | —— | —— | |||
| —— | —— | —— | —— | 1 | —— | |||
| —— | —— | —— | —— | —— | 1 |
1：風(fēng)口打開
——：任意狀態(tài)
5、加裝變頻器后，由于變頻器自身帶有電機的過流保護、過載保護、缺相保護、過電壓保護、接地保護、短路保護、超頻保護、反相保護等，變頻運行時上口高壓柜保護為備用保護，除變頻器輸入側(cè)采用移相變壓器外（其勵磁涌流為額定電流的6-8倍），對上口保護無其它特殊要求；因此高壓開關(guān)柜繼電保護只對變頻器工頻旁路時起主要保護，其整定值可按正常電機保護進(jìn)行整定。旁路運行時如將進(jìn)氣口閥門全部關(guān)閉，啟動過程啟動電流應(yīng)在電機額定電流的6-8倍左右，如果電網(wǎng)或上級變壓器容量較大能承受此瞬間沖擊，可以不外加任何啟動設(shè)備進(jìn)行直接工頻啟動，如果不能承受則可考慮在變頻器工頻旁路系統(tǒng)前方加裝水阻或電抗器，以防工頻啟動時無法啟動。本項目工頻時采用直接啟動方式。 四、交鑰匙工程整體施工方案：
1、由于目前設(shè)備使用液力耦合器，考慮到風(fēng)機運行的穩(wěn)定性，因此拆除液力耦合器，將電機向前移位采用直接連接方式；對電機移位后與風(fēng)機直聯(lián)的磨擦片接手重新定制，重新制作鋼底座作為電機基礎(chǔ)，同時為確保設(shè)備投運后的安全，應(yīng)確保的安裝精度，保證電機與風(fēng)機之間的同心度≦0.05mm。
2、高壓變頻器主設(shè)備安裝在風(fēng)機值班室內(nèi)，原高壓柜至電機的高壓電纜用做改造時高壓柜至變頻器進(jìn)線電纜，變頻器至電機高壓電纜重新敷設(shè)，同時敷設(shè)現(xiàn)場PLC柜至變頻器控制柜3根屏蔽控制電纜用于變頻器的遠(yuǎn)程啟動、停車，采集現(xiàn)場閥門狀態(tài)信號，實現(xiàn)變頻器三段速的自動調(diào)節(jié)及變頻器信號的反饋。此外還需敷設(shè)一根高壓柜至變頻器的控制電纜，用于高壓柜合閘允許和高壓柜緊急分閘控制。
3、由于高壓變頻器的IGBT等功率元器件對環(huán)境溫度要求比較高，同時本項目變頻器功率較大，為了防止因溫高而引起變頻器的保護停機，我廠采用以下三種措施來防止室溫過高：
（1）、柜頂加裝排風(fēng)管，使變頻器自身產(chǎn)生的大部分熱量通過排風(fēng)系統(tǒng)釋放到室外；
（2）、改裝現(xiàn)有的窗戶，進(jìn)行雙層玻璃保溫；
（3）、加裝一臺10匹的工業(yè)風(fēng)冷空調(diào)。
4、施工時間安排見下表
| 施工項目名稱 | 內(nèi)容 | 時間 |
| 土建 | 電纜溝的挖掘、高低壓電纜的敷設(shè)、電纜橋架的安裝、變頻器設(shè)備的就位、排風(fēng)管道安裝 | 4天 |
| 機械 | 液偶的拆除、電機的移位與安裝、變頻器的安裝 | 4天 |
| 電氣試驗 | 設(shè)備變壓器、電纜頭及旁路柜耐壓試驗。 | 1天 |
| 設(shè)備接線 | 設(shè)備自身接線及設(shè)備與PLC接線 | 2天 |
| 電氣調(diào)試 | 系統(tǒng)的控制電試驗 變頻器自身高壓上電試驗 變頻器的帶電機及帶風(fēng)機試驗 |
1天 1天 1天 |
| 合計 | 14天 |
最終，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司憑借優(yōu)質(zhì)、快捷的售后服務(wù)，順利將設(shè)備投入運行，運轉(zhuǎn)情況良好，整體工程一次性驗收。
五、節(jié)能測算及投資分析：
1、上變頻器前后的相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計
| 上變頻器前 | 上變頻器后 | ||||
| 電機實際運行電流 | 150A | 進(jìn)鐵電機實際電流 | 110 A | 對應(yīng)轉(zhuǎn)速 | 667r/min |
| 電機實際功率因數(shù) | 0.8 | 出鐵電機實際電流 | 45 A | 對應(yīng)轉(zhuǎn)速 | 520 r/min |
| 進(jìn)鐵實際需要風(fēng)量 | 60萬m3/h | 沒有進(jìn)出鐵電機 實際電流 |
4.4 A | 對應(yīng)轉(zhuǎn)速 | 300 r/min |
| 出鐵實際需要風(fēng)量 | 36萬m3/h | 電機實際功率因數(shù) | 0.95 | ||
| 實際轉(zhuǎn)速 | 680r/min | ||||
2、工頻用液偶調(diào)速狀態(tài)下除塵風(fēng)機的功耗計算
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工頻下每年耗電量為1037萬度，每年耗電費為518.5萬元。
3、變頻狀態(tài)下除塵風(fēng)機的功耗計算
（1）高速運行時，轉(zhuǎn)速為667rpm
考慮到有可能兩座爐同時進(jìn)鐵水需同時除塵，預(yù)計每天高速運行的時間約為12小時（包括變頻器加速時間）。則
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考慮到至少有一個出鐵狀態(tài)，每天預(yù)計運行10小時。則
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在不除塵時，只要保證正常的工作環(huán)境和能夠保證正常提速至除塵狀態(tài)即可，每天預(yù)計運行2小時。則
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4、綜上所述，除塵風(fēng)機上高壓變頻器后較以前工頻液力耦合器調(diào)速，每年可節(jié)約電量339.6萬度，每年節(jié)約電費為169.8萬元。
同時還產(chǎn)生了其他效果：
1） 限制啟動電流，減少啟動的峰值功率省耗；
2） 改善電網(wǎng)功率因數(shù)，變頻器可使系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在0.95%以上；
3） 消除了電機因啟動、停止對機械的沖擊，延長使用壽命，減少維修；
4） 可使電動機與風(fēng)機直接相連接，減少傳動環(huán)節(jié)的費用；
5） 電機和風(fēng)機運轉(zhuǎn)速度下降，潤滑條件改善，傳動裝置的故障下降；
5、投資分析：
我廠通過高壓變頻節(jié)能改造，預(yù)計該項目的總投資回報期約在16個月左右，總投資內(nèi)容包括設(shè)備成本、配件成本、運輸成本、工程設(shè)計成本、工程安裝成本、效果檢測成本、資金融資成本、設(shè)備維護成本及風(fēng)險成本。
六、結(jié)束語：
綜合看來,本套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的投入，對提高杭鋼集團動力公司電能的使用效率，降低公司的生產(chǎn)成本，保證混鐵爐除塵風(fēng)機的安全運行以及生產(chǎn)工作自動化程度的提高有著積極、重要的作用�？梢哉f這是一個產(chǎn)品適用性強,投資回報快的高科技項目。
參考文獻(xiàn)
[1].高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術(shù)手冊 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
[2].高壓變頻器應(yīng)用資料匯編－冶金行業(yè) 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
作者簡介
杭州鋼鐵集團 轉(zhuǎn)爐電氣工程師 盧芬蘭
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 技術(shù)工程部 晏鹍