高壓變頻器在沙鋼集團宏發(fā)煉鐵廠除塵風機上的應用案例

摘 要：本文介紹了風光牌高壓變頻器在沙鋼集團鋼鐵廠除塵風機上的應用情況。應用結果表明，采用國產(chǎn)高壓變頻器對鋼廠的除塵風機設備進行調(diào)速節(jié)能改造，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。
關鍵詞：高壓變頻器 除塵風機 應用

1、引言
沙鋼集團是目前國內(nèi)最大的電爐鋼和優(yōu)特鋼生產(chǎn)基地、江蘇省重點企業(yè)集團、國家特大型工業(yè)企業(yè)，全國最大的民營鋼鐵企業(yè)。現(xiàn)擁有總資產(chǎn)1000多億元，職工26700余名，主要工藝裝備均達國際先進水平，形成了年產(chǎn)鐵2230萬噸、鋼2720萬噸、材2390萬噸，其中不銹鋼板100萬噸的生產(chǎn)能力。

為了降低對周邊環(huán)境的污染，沙鋼瞄準國際國內(nèi)先進水平，大力推進技術創(chuàng)新，先后淘汰了兩座5噸小電爐和6條小軋鋼生產(chǎn)線，同時，引進先進環(huán)保治理工藝技術和裝備，加大環(huán)保技改投入。近幾年來，共投資兩億多元用于增添和更新改造各類環(huán)保設施。在電爐煉鋼方面，采用布袋低壓脈沖除塵技術、噴霧除塵技術、變頻調(diào)速控制除塵風機技術。
該煉鋼廠原有15t氧氣頂吹轉爐4座，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(tǒng)中備用。因此，每座轉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，風機型號AI850，電機功率1800KW/10KV。由于轉爐周期性間斷吹氧，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。2002年，煉鋼廠對其中2#和3#轉爐進行擴容改造，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)液力偶合器技術存在著局限性，主要表現(xiàn)在：
1）電動機的效率低，損耗大，尤其低速運行時，效率極低；
2）調(diào)節(jié)精度低、線性度差，響應慢；
3）啟動電流仍比較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；
4）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；
5）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2008年9月，煉鋼廠對2#和3#轉爐風機進行改造，改用高壓變頻器為轉爐風機進行調(diào)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(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。基于以上工作特點，對變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要要求如下：
1）要求變頻器要有高可靠性，長期運行無故障。
2）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。
3）調(diào)速范圍要大，效率要高。
4）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(jīng)過多方調(diào)研、比較，最后決定采用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1800F型高壓變頻器，通過雙方技術人員的合作，共同制定了2#和3#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

QF：變頻器輸入側的高壓開關柜
KM1、KM2、KM3、KM4：高壓變頻器內(nèi)置真空接觸器
QS1、QS2：高壓變頻器內(nèi)高壓隔離開關
M：1800KW/10KV三相異步電動機
變頻器配備了自動旁路柜，通過KM3、KM4的控制，可自動（或手動）在變頻狀態(tài)和工頻狀態(tài)之間切換。變頻狀態(tài)下, KM3閉合，KM4斷開，變頻器控制電機；工頻狀態(tài)下，KM3斷開，KM4閉合，在切換至工頻帶動電機。變頻器可以在重故障時自動切換工頻運行，這樣既保證了變頻器正常運行，又避免了直接啟動電機大電流對電網(wǎng)的沖擊，保證風機連續(xù)不間斷供風。并要求可以遠程和本機控制。山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器調(diào)速有五種方式：就地旋鈕、觸摸屏、遠程、上位機及多段速調(diào)節(jié)，方便用戶選擇。該鋼鐵廠采用多段速方式調(diào)節(jié)。遠程控制時，自動檢測轉爐位置，使變頻器在倒鐵水時高速運行，其他時間低速運行。
2.2 電機、風機參數(shù)及變頻器技術指標
1）電機參數(shù)　

2）風機參數(shù)

3）JD-BP38系列變頻器技術指標
輸入電壓：　　　三相交流有效值10KV±10%
輸入頻率：　　　50±5Hz
輸出電壓：　　　三相正弦波電壓0-10KV
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)側功率因素：　0.95（高速時）
過載保護：　　　150%（每10分鐘允許l分鐘）、180%立即保護
防護等級：　　　IP21
環(huán)境濕度：　　　90%,無凝結

3、JD-BP38系列高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)
3.1系統(tǒng)結構
　　JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結構見圖3所示，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10KV系列有30個功率單元，每10個功率單元串聯(lián)構成一相，圖3中給出了系統(tǒng)結構示例。

3.2功率單元電路

每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路結構如圖4所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路，圖中通過逆變塊IGBT反并聯(lián)的二極管構成三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓， 通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現(xiàn)雙向逆變。
　　功率單元輸出波形：

3.3輸入側結構
　　輸入側由移相變壓器給每個單元供電，每個功率單元都承受電機電流、1/10的相電壓、1/30的輸出功率。30個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。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，目的是實現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。
　　本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實測輸入電流總諧波成分小于3%,低于國家標準。
3.4輸出側結構

輸出側由每個單元的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，可得到如圖6所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，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，減小了軸承和葉片的機械應力。
3.5控制器
　　控制器核心由高速32位數(shù)字信號處理器（DSP）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。人機界面提供友好的全中文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。內(nèi)置PLC控制器用于柜體內(nèi)開關信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強了系統(tǒng)的靈活性。
　　數(shù)字信號處理器（DSP）相對于模擬信號處理有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲等方面。傳統(tǒng)的模擬信號處理技術正由全新的數(shù)字信號處理技術（DSP）所代替。DSP是面向高速重復性數(shù)值運算密集型的實時處理。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無間斷的完成數(shù)據(jù)的實時輸入與輸出。DSP結構相對單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時間的可預測性要比結構和指令復雜、依賴于編譯系統(tǒng)的普通微處理器強的多。它可以單周期完成這些乘加并行操作，而普通微處理器需要至少4個指令周期，因此在相同的指令周期和片內(nèi)指令緩沖條件下，是普通微處理器運算速度的4倍以上。
　　另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓，增強了系統(tǒng)的可靠性。
3.6 控制電源
　　控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設備各點的波形與加高壓情況基本相似，給整機可靠性、調(diào)試、培訓帶來了很大方便。
　　系統(tǒng)采用三次諧波補償技術提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號預畸變技術，使電壓利用率近似于1。系統(tǒng)還采用了先進的載波移相技術，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。

4、設備運行情況及其他效益
　　08年9月份，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1800F變頻器應用于2#和3#電轉爐除塵風機進行了改造。由于我廠的每臺高壓變頻器在出廠前均經(jīng)過實際風機負載滿載的整機出廠檢驗和調(diào)試，在現(xiàn)場的調(diào)試又可以在沒有高壓輸入的情況下調(diào)試，因此在經(jīng)過約一周的施工、安裝和調(diào)試后，上電試驗和試運行進行順利，一次投運成功，高壓變頻器一直持續(xù)穩(wěn)定運行。高速運行時45Hz，低速運行時20Hz。圖7為變頻調(diào)速后風機運行曲線圖。

運行變頻器調(diào)速后，主要優(yōu)越性變現(xiàn)在：
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。
2）節(jié)能效果顯著。
下表為生產(chǎn)工況基本相同的條件下，隨機抽取一天工頻與變頻各個方面的數(shù)據(jù)對比：

與原有的工頻驅動方式相比，風機效率穩(wěn)定在理想的范圍內(nèi)，電動機能耗大大降低，節(jié)約電量可達37％，變頻改造后節(jié)能效果顯著。
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。變頻器按照轉爐位置自動高速、低速往復運行。
6）適應電網(wǎng)電壓波動能力強。
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、結束語
　　從現(xiàn)場運行情況來看，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1800F高壓變頻器性能優(yōu)越，運行可靠，有效地降低了生產(chǎn)成本。在國家大力建設資源節(jié)約型社會的今天，通過有效的節(jié)能改造，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。