ZINVERT系列高壓變頻調速系統在煉鐵高爐鼓風機上的應用

摘要：本文分析了高爐鼓風機的工藝及可靠性要求，介紹了ZINVERT系列高壓變頻調速系統在溧陽市三維焦煉廠煉鐵高爐鼓風機變頻調速改造的技術方案和節能效果等應用情況，為高壓變頻在高爐鼓風機的應用提供了一定的經驗。
關鍵詞：高壓變頻器 高爐鼓風機 節能

1、用戶及煉鐵高爐鼓風機工藝要求簡介
溧陽市三維集團，是主要從事生鐵冶煉的經濟實體。焦煉廠位于江蘇溧陽南渡鎮，于2003年5月投資興建。該廠現有3個128立方的高爐，其工藝設備，計量測試，除塵環保，廠房和綠化水平具有當前國內同行業領先水平，年產生鐵量為50萬噸。
煉鐵過程實質上是將鐵從自然狀態——礦石等含鐵化合物中還原出來的過程。通常分為燒結和煉鐵兩段工序。燒結：就是把鐵礦粉造塊，為高爐提供精料的一種方法，是利用鐵礦粉、熔劑、燃料及返礦按一定比例制成塊狀冶煉原料的一個過程。煉鐵：高爐的冶煉過程主要目的是用鐵礦石經濟高效的得到溫度和成分合乎要求的液態生鐵。

2、高爐冶煉的全過程可以概括為：
在盡量低能量消耗的條件下，通過受控爐料及煤氣流的逆向運動，高效率的完成還原、造渣、傳熱及渣鐵反應等過程，得到化學成分與溫度較為理想的液態金屬產品。高爐生產是連續運行的。一代高爐（從開爐到大修停爐為一代）能連續生產幾年到十幾年。生產時，從爐頂（一般爐頂是由料種和料斗組成，現代高爐是鐘閥爐頂和無料鐘爐頂）不斷地裝入鐵礦石、焦炭、熔劑，從高爐下部的風口吹進熱風（1000～1300攝氏度），吹入油、煤或天然氣等燃料。裝入高爐中的鐵礦石，主要是鐵和氧的化合物。在高溫下，焦炭中和噴吹物中的碳及碳燃燒生成的一氧化碳將鐵礦石中的氧奪取出來，得到鐵，這個過程叫做還原。鐵礦石通過還原反應煉出生鐵，鐵水從出鐵口放出。鐵礦石中的脈石、焦炭及噴吹物中的灰分與加入爐內的石灰石等熔劑結合生成爐渣，從出鐵口和出渣口分別排出。煤氣從爐頂導出，經除塵后，作為工業用煤氣。

高爐鼓風機是高爐最重要的動力設備，它不但直接提供高爐冶煉所需的氧氣，而且提供克服高爐料柱阻力所需的氣體動力。高爐冶煉要求鼓風機能供給一定量的空氣，以保證燃燒一定的碳；其所需風量的大小不僅與爐容成正比，而且與高爐強化程度有關、一般按單位爐容2.1～2.5m3／min的風量配備。但實際上不少的高爐考慮到生產的發展，配備的風機能力都大于這一比例，因此一般采用入口風門、出口放風閥進行風量、風壓控制，以及防止風機的喘振。
高爐鼓風機的由于風門的損耗、風機的效率低、放風損耗巨大，因此采用高壓變頻器改造的節能空間巨大。但是由于高爐鼓風機作為高爐生產的關鍵設備，電動機功率容量大，要求保證持續工作，在高爐生產中的運行中斷特別在出鐵水時將造成灌渣事故，導致高爐堵爐、停產、焦比上升，造成較大的經濟損失，因此目前對高爐鼓風機進行高壓變頻改造的極少，主要原因用戶對高壓變頻器設備的運行可靠性的疑問。廣州智光電機有限公司的ZINVERT系列高壓變頻器以其可靠性制造與技術、大量的穩定可靠的運行業績贏得廣大用戶的信任，三維焦煉廠選用其對＃1、＃2高爐鼓風機進行了高壓變頻調速改造。

3、改造方案
目前三維焦煉廠有2個高爐進行生產，3號爐在建設之中。其高爐風機原來采用定子串水阻啟動，通過風機入口風門和出口放風管風門進行風量風壓調節。此次三維焦煉廠采用廣州智光電機有限公司生產的ZINVERT—A9H1500/10Y型高壓變頻調速裝置，對其1#、2#高爐1250kw高爐風機電機進行變頻調速節能改造。以下以2#高爐風機變頻應用為例進行介紹。
3.1 2#高爐風機及配套電機參數

3.2 高爐變頻改造方案
此次改造采用的為ZINVERT-A9H1500/10Y一拖一手動旁路高壓變頻調速系統，裝置一次接線如圖4所示。10kV電源經變頻裝置刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經刀閘K2與水阻柜串聯接至電動機，正常時先將水阻柜旁路再進行變頻啟動電動機；10kV電源還可經刀閘K2切換至工頻側通過串水阻降壓起動電動機。一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開輸入側10kV開關及刀閘K1，將變頻裝置隔離，切換刀閘K2至工頻側，把水阻柜投入，在工頻電源下起動電機運行。刀閘K1、K2之間具有閉鎖和防止誤操作功能。

ZINVERT型智能高壓變頻調速系統內核控制由雙DSP完成，裝置在現場運行時其運行頻率設定方式有多種方式。現場采用遠程操作臺的控制儀表進行頻率或轉速給定。高壓變頻器變頻運行時，用戶可根據實際煉鐵過程中的壓力需求，在控制室對鼓風機的變頻系統進行調整設定頻率以滿足工況需求。

4、項目改造總結及收益分析
由于某些因素的制約，此次選用的為ZINVERT手動旁路變頻系統。而高爐風機運行工況要求其24h連續運行，偶然跳閘或停機會對整個生產甚至高爐本身都會造成比較嚴重的影響。而在高爐煉鐵生產時，每1個小時就要出一次鐵，因而對變頻的可靠性要求非常高。為防止再出現類似情況，提高高爐風機運行可靠性，經總結分析，建議以后對高爐風機變頻改造采取以下方案。即采用ZINVERT系列自動旁路變頻系統。廣州智光電機有限公司擁有自主研發的“STT”技術（轉速跟蹤技術），能夠為正在旋轉的電機進行工變頻自由切換提供有力的保證，提高變頻可靠性。當變頻故障時，變頻無需跳閘而能夠自動進行帶電切換到工頻狀態運行，整個過程不會超過5秒鐘；而當變頻故障恢復后，又可通過人工進行帶電切換回變頻運行，而無須等電機停下。從而可以大大地提高了高爐生產運行的可靠性。
根據用戶提供的2007年5月1日～8月20日期間的運行頻率和變頻節能測試數據記錄，采用變頻改造后，變頻調速系統一般運行在40～48Hz，正常生產時運行頻率一般在45～46Hz，（如圖6中變頻運行監視界面），對應輸入運行功率為1000kW左右，用戶節電測試結果變頻裝置投入運行時：
減小輸入功率：1287.5-1000=287.5（kW）；
節能比率：287.5/1287.5=22.3%；
按平均每天運行24小時，電價0.5元/度，一年運行330天計算，每年可以節約電費約為：V= =113.85（萬元）。
兩臺高爐的鼓風機進行變頻改造后年節約電費可達220萬元以上。
由節能數據看出，ZINVERT系列高壓變頻調速系統應用于高爐風機的節能及經濟效益是顯著的。另外，采用變頻調速控制后，其他方面的效益也是明顯的，如：
（1）網側功率因數提高： 原電機直接由工頻驅動時，采用無功補償，其實際運行功率因數為0.92。采用高壓變頻調節系統后，電源側的功率因數可提高到0.96以上，無需無功補償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網要求，可進一步節約上游設備的運行費用。
（2）設備運行與維護費用下降：采用變頻調節后，由于通過調節電機轉速實現節能，在負荷率較低時，電機、風機轉速也降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較前減輕，維護周期可加長，設備運行壽命延長。
（3）噪音大大減小，改善運行人員的工作環境：采用變頻調節后，由于通過調節電機轉速實現調節，風門全開，鼓風機、風管的噪音大大下降，改善工作環境條件，現場運行人員反映良好。
（4）用高壓變頻調速裝置后，可對電機實現軟啟動，啟動時電流不超過電機運行額定電流的1.2倍，對電網無任何沖擊，電機使用壽命增長。

5、結語
ZINVERT系列高壓變頻器在溧陽三維焦煉廠高爐鼓風機調速改造，設備投運以來運行穩定，保證了高爐的正常生產，并取得了可觀的節能經濟效益與附加效益，為該產品在鋼鐵行業的推廣應用取得良好經驗。

參考文獻
[1] 泵與風機（第三版），郭立君，何川，北京，中國電力出版社。
[2] ZINVERT系列高壓變頻調速系統培訓教材，廣州，廣州智光電機有限公司。

作者簡介：
余典云（1984-），男，江西鄱陽市人，廣州智光電機有限公司技術部技術支持工程師，從事高壓變頻調速及電力電子應用技術研究。