高壓變頻器在福建三鋼煉鋼廠4#除塵風機的應用

1、引言
　　三鋼煉鋼廠原有15t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐三座，采用“三吹三”方式，轉(zhuǎn)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(tǒng)中備用。因此，每座轉(zhuǎn)爐需配有一套除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)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(zhuǎn)爐周期性間斷吹氧，為滿足節(jié)能和環(huán)保要求,要求風機在整個煉鋼工作周期內(nèi)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(zhuǎn)爐進行擴容改造，將風機移至地面，采用液力偶合器調(diào)速，高速2700r/min（設計2900r/min），低速1200r/min。經(jīng)過一段時間的運行，發(fā)現(xiàn)液力偶合器技術(shù)存在著局限性，主要表現(xiàn)在：
調(diào)速范圍在30%～90%之間，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)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(zhuǎn)爐爐口冒煙；
液力偶合器需經(jīng)常更換軸承，造成轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)，不能滿足連續(xù)生產(chǎn)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(diào)節(jié)精度低、線性度差，響應慢；
啟動電流仍比較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)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(huán)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(zhuǎn)爐時決定不再使用液力偶合器調(diào)速，改用高壓變頻器為新轉(zhuǎn)爐風機進行調(diào)速。
2、高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案
　　除塵風機是除塵凈化系統(tǒng)的動力中樞，一旦除塵風機不能正常運行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失，還有可能威脅到現(xiàn)場生產(chǎn)人員的人身安全；另外，調(diào)速系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣；同時轉(zhuǎn)爐又周期性間斷吹氧；所以，和除塵風機配套的高壓調(diào)速系統(tǒng)，要求具有極高的可靠性?；谝陨瞎ぷ魈攸c，對變頻調(diào)速系統(tǒng)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(xiàn)故障，可使電機切換到工頻運行。
調(diào)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(zhuǎn)設置，能使電機避開共振點運行，讓風機不喘震。
　　經(jīng)過多方調(diào)研、比較，最后決定采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器，通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了4#轉(zhuǎn)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(nèi)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(guān)。
　　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(xiàn)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(wǎng)運行，當吹煉周期結(jié)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(diào)速狀態(tài)。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(wǎng)運行，當吹煉周期結(jié)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(diào)速狀態(tài)。
2.2 電機及風機參數(shù)

1）電機參數(shù)： 　　　　　　　　　　　2）風機參數(shù)：
　　　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(zhuǎn)速： 2975rpm
　　　額定效率： 92.5% 　　　　　　　 　　額定功率因數(shù)：0.89
　　　額定轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)。
　　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(diào)節(jié)。
　　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(diào)節(jié)；低速定為20Hz,可以調(diào)節(jié)。
2）變頻器和現(xiàn)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(jié)點（繼電器吸合時，變頻器高速運轉(zhuǎn)；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(xiàn)場操作工進行吹煉。在D點，準備出鋼，爐前工轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)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?！　　?BR>


　　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(fā)器RS置位，此時Q20.2有輸出，同時由Q20.2輸出驅(qū)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(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)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(fā)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(shù)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(nèi)調(diào)整
　　故障診斷及檢測：自動檢測，自動定位
　　網(wǎng)側(cè)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(huán)境溫度：0-40℃
　　環(huán)境濕度：90%,無凝結(jié)
　　海拔高度：1000米以下
3、高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)
3.1 監(jiān)控和操作
　　除塵風機在不吹煉時，只需要很低的轉(zhuǎn)速，根本不需要滿負荷運轉(zhuǎn)。利用高壓變頻器根據(jù)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(jié)能降耗的目的和效果。
　　采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對除塵風機進行高壓變頻改造具體實現(xiàn)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(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS485)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴展控制開關(guān)量，增強了系統(tǒng)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(jù)工況需要自由設定，完全可以滿足工藝要求。變頻調(diào)速風機控制系統(tǒng)圖如下：

　　現(xiàn)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(jiān)控變頻器運行狀態(tài)。
　　上位機：可以通過上位機進行遠程監(jiān)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(diào)速系統(tǒng)原理
　　HARSVERT高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串并聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對電網(wǎng)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(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)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(tǒng)共有21個功率單元，每7個功率單元串連構(gòu)成一相。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置圖如圖（a）、（b）：其系統(tǒng)工作原理如下：

(a) 采紋結(jié)構(gòu)圖

(b) 系統(tǒng)質(zhì)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(xiàn)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(fā)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(lián)旁路電路，當功率單元故障時，封鎖對應功率單元IGBT的觸發(fā)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(lián)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(zhuǎn)速仍可達92%以上，基本能維持生產(chǎn)要求，大大提高了系統(tǒng)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(cè)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(nèi)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(nèi)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(tǒng)自動啟動風機冷卻；當繞組溫度低至70℃時，系統(tǒng)自動停止風機。當變壓器繞組溫度繼續(xù)升高，若達到110℃時，系統(tǒng)輸出超溫報警信號；若溫度繼續(xù)上升達130℃，變壓器迅速跳閘。柜體上還設置了溫度顯示系統(tǒng)。功率柜根據(jù)功率大小配置2臺具有世界領(lǐng)先技術(shù)，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(xié)同運算來實現(xiàn)，精心設計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡化控制。控制器還包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號(包括DCS/RS485/Profibus/Modbus/以太網(wǎng)等)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴展控制開關(guān)量，增強了系統(tǒng)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(nèi)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(wǎng)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(shù)值，則變頻器先降壓再保護。此保護實際上包括了對電網(wǎng)電壓負向波動的保護。
5）過熱保護。包括兩重保護：在變頻調(diào)速系統(tǒng)柜體內(nèi)設置溫度檢測，當環(huán)境溫度超過預先設置的值時，發(fā)報警信號；另外，在主要的發(fā)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(cè)掉相或功率模塊的保險熔芯融化時，會發(fā)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(xiàn)故障時，會發(fā)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(wěn)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(jīng)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(wǎng)，不用停機，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。從1月4日投入運行以來，一直正常運轉(zhuǎn)，沒有出現(xiàn)故障。
　　2、節(jié)能效果顯著，大大降低了噸鋼電耗。
　　3、電動機實現(xiàn)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(shù)。同時，變頻器設置共振點跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風機長期在共振點運行，使風機工作平穩(wěn)，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(xiàn)場信號無縫接口，滿足生產(chǎn)的需要。變頻器內(nèi)置PLC，現(xiàn)場信號接入靈活。4#轉(zhuǎn)爐電磁站PLC電氣站為變頻器提供一對高速/低速節(jié)點，變頻器按照節(jié)點的狀態(tài)自動高速、低速往復運行；變頻器自帶轉(zhuǎn)速測定，原來同電機相連的測速器也被取消，由變頻器為現(xiàn)場直接提供電機轉(zhuǎn)速指示。
　　6、適應電網(wǎng)電壓波動能力強，有時電網(wǎng)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(huán)境的污染，使風機房的現(xiàn)場環(huán)境有了極大改善。
5、節(jié)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(jié)能目的。
　　風機高速運行（約占三分之二時間）時，由于功率因數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)爐風機未采用變頻時，運行電流為73A，以煉鋼廠轉(zhuǎn)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(jù)目前4#除塵風機變頻器的運行來看，可為煉鋼廠多節(jié)約用電，具體數(shù)據(jù)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(jié)能數(shù)據(jù)（單位：度/噸鋼），如表1所示：
　　　　　　　　　　　　　表1煉鋼廠噸鋼電耗（單位：度/噸鋼）

	1月	2月	3月	4月	5月	平均
2002年	37.88	19.20	23.07	23.9	23.4	24.3
2003年	21.57	18.9	19.73	19.66	19.8	19.76

　　從上表統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，2003年1～5月同2002年1～5月相比較，噸鋼電耗有較大幅度下降，下降達：18.68%，其中很大一塊的節(jié)電是由高壓變頻器完成的。
　　　　　　　　　　　　　　　　表2 4#風機電耗（單位：度）

	1月	2月	3月	4月	5月	累計
2002年	32418	422100	397440	467820	508860	1828638
2003年	180180	187920	226800	205740	222300	1022940

　　從表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計看，2003年1～5月同2002年1～5月相比，4#除塵風機共節(jié)約用電80.5萬度，平均每月節(jié)約用電16.5萬度，年節(jié)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(jié)電總額為：198×0.51=100（萬元）
6、結(jié)束語
　　從幾個月的運行情況來看，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/076高壓大功率變頻器性能好，可靠性高，節(jié)能效果明顯，滿足連續(xù)生產(chǎn)對調(diào)速系統(tǒng)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(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器調(diào)速。