高壓變頻器在鐵合金電爐除塵風機上的應用
1 引言
鐵合金的生產(chǎn)，多數(shù)靠金屬氧化物等礦石還原。這種還原需要在較高溫度下、消耗大量能源才能實現(xiàn)。電爐作為鐵合金生產(chǎn)的主要設備,電爐產(chǎn)生的高溫煙氣，經(jīng)煙道進入空冷器冷卻再進入袋式除塵器。除塵器清下的積塵，由煙塵灰斗排出，凈化后的廢氣經(jīng)風機送入煙囪，排入大氣。除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電爐煉鐵時產(chǎn)生的有害物污染主要體現(xiàn)在電爐加料、冶煉、出鐵3個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，由于吹氧或加礦石而產(chǎn)生大量赤褐色濃煙。在上述3個冶煉期中，氧化期產(chǎn)生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高。因此，電爐除塵系統(tǒng)按照氧化期的最大煙塵排量進行設計。在系統(tǒng)最大風量需求的基礎上增加1.1～1.3倍的安全裕度進行除塵風機選型設計。整個冶煉過程中吹氧時期占30～35%，此時風機處于較高負荷運行，而其余時間則處于較低運行工況。很顯然，除塵系統(tǒng)的利用率很低且系統(tǒng)效率差。
長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產(chǎn)生的粉塵大小均使除塵風機全速運行，騰達西北鐵合金有限公司原采用液力耦合器調(diào)節(jié)，效率低、功耗大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇，節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)發(fā)展提高競爭力的有效手段之一。
為滿足高壓變頻改造中的變頻器要求，我廠本著安全第一、質(zhì)量可靠的方針進行認真的分析，認為采用jd-bp37高壓變頻器完全能滿足要求，制定出如下技術(shù)方案，此方案具有以下特點:
（1） 優(yōu)良的調(diào)速性能，滿足負載工藝要求;
（2） 良好的節(jié)能效果，提高系統(tǒng)運行效率;
（3） 實現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命;
（4） 系統(tǒng)安全、可靠，確保負載連續(xù)運行;
（5） 控制方便、靈活，自動化水平高。
2 變頻器選型及性能特性
設計時，根據(jù)電機容量，及考慮海拔高度，選用高壓變頻器，對風機系統(tǒng)進行改造，變頻器串在原控制回路中，通過旁路開關(guān)柜來進行工/變頻的轉(zhuǎn)換，保持原來的啟停操作方式不變。改造后，通過高壓變頻器，來控制高壓風機運行。
電爐的冶煉周期一般為70～85分鐘，其中裝料6～10%，送電熔化25～30%，吹氧30～35%，還原期15～20%，沖渣出鐵6～8%。在不同的生產(chǎn)工藝階段，電爐產(chǎn)生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時廢鋼及渣料產(chǎn)生的揚塵，需要的除塵風量不大，要求粉塵不擴散，不污染電爐周邊工作環(huán)境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發(fā)可燃廢棄物燃燒產(chǎn)生廢氣。此時，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài)，要求煙塵能夠及時排出，又不能過多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間，不僅要求除塵系統(tǒng)能夠及時迅速的將廢氣和粉塵排走，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度，確保終點溫度。因此，對除塵系統(tǒng)要求較高。進入還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時，主要排放物是沖渣產(chǎn)生的水蒸汽和少量廢氣。
通過對冶煉工藝的分析:電爐在煉鐵過程的不同階段對除塵風量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉為最大，加料除塵為最低。鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風機的運行方式和設備特點，對除塵風機的控制選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的，適合驅(qū)動高壓異步電動機的jd-bp37-800f型變頻器。
2.1 主要技術(shù)性能指標
（1）額定輸入電壓，6kv（-20%～+15%）;
（2）輸入頻率，45 ～ 55hz;
（3）輸入方式，36脈沖二極管全波整流輸入;
（4）輸出方式，每相6單元 載波移相 正弦波脈寬調(diào)制輸出;
（5）輸入功率因數(shù)，大于0.96（額定負載時）;
（6）效率（含變壓器），大于96%（額定負載時）;
（7）輸出頻率，0 - 50hz，連續(xù)可調(diào);
（8）頻率分辨率，0.01hz;
（9）過載能力，120%連續(xù)，150%1min;
（10）控制電源，雙路供電，220vac，5kva;
（11）冷卻方式，強制風冷;
（12）防護等級，ip20;
（13）模擬量輸入，四路，0～5v/4～20ma，任意設定;
（14）模擬量輸出，兩路，0～5v/4～20ma可選;
（15）開關(guān)量輸入輸出，32入/16出（可按用戶要求擴展）;
（16）通訊接口，rs－485接口;
（17）運行環(huán)境溫度，0～40℃;
（18）貯存/運輸溫度， -40～70℃;
（19）環(huán)境濕度，<90%（20℃時），不凝露;
（20）安裝海拔高度，<1000m（超過1000m時，需降額運行）;
（21）運行參數(shù)自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調(diào)整功能、瞬時停電自動跟蹤功能、單元旁路功能等。
2.2 外形尺寸及安裝要求
變頻器外形尺寸（不含旁路柜）
長×寬×高= 4600×1200×2300（mm）
旁路柜外形尺寸
長×寬×高= 1200×1200×2300（mm）
變頻器采用底部進出線方式，從正面看，高壓進出線孔位于左部旁路柜居后的位置，二次進出線電纜孔位于控制柜居前的位置。變頻器應安裝在電纜溝上，如圖2所示。
圖2 變頻器安裝圖（側(cè)面）
變頻器在正面操作。為了保證操作、維護的方便性和通風散熱效果，變頻器正面距墻距離不小于1.5m，背面和頂部距墻距離不小于1m。
室內(nèi)冷卻方式:空調(diào)制冷;墻上安裝排風扇;柜頂加風罩集中通風。
2.3 風光變頻器的主要優(yōu)勢特點
風光jd-bp系列高壓變頻器與國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較，在產(chǎn)品功能設計、產(chǎn)品質(zhì)量保障措施、系統(tǒng)安全設計和服務方面，具有以下優(yōu)勢和特點:
（1）輸入、輸出諧波含量低，輸入功率因數(shù)高。無須濾波器和功率因數(shù)補償，可直接驅(qū)動電機;
（2）系統(tǒng)控制電源采用220vac和高壓主電源降壓隔離后雙路供電，系統(tǒng)運行更可靠、操作更簡便。可在無高壓電的情況下檢測變頻器的輸出及各點波形，便于調(diào)試、檢修及操作人員陪訓;
（3）冷卻風機采用高壓主電源降壓后直接驅(qū)動，風機僅在上高壓電且變頻器開機后運行，避免了冷卻風機啟、停時對控制系統(tǒng)的影響;
（4）功率單元工作電源為外部開關(guān)電源，避免了高壓瞬時掉電時對單元的控制電源的影響;
（5）更適應于國內(nèi)電網(wǎng)條件，變頻器工作電壓范圍為（+15%～－20%）un，如6kv系列可穩(wěn)定運行于6900v電壓條件下;
（6）瞬時停電保護功能。當主電源失電后，變頻器控制電機處于發(fā)電狀態(tài)運行，為單元電容充電，并為單元控制電源供電，直至主電源恢復，變頻器回到原運行狀態(tài)。瞬時停電時間典型值為3s（具體時間可以根據(jù)用戶的系統(tǒng)而定），超過3s變頻器則保護，檢查停電原因，以免變頻繼續(xù)運行而引起事故;
（7）限流功能。避免啟動或負載突然變化時，使變頻器輸出電流過大而導致保護動作;
（8）操作平臺采用全中文win系統(tǒng)，運行穩(wěn)定，且易學易用;
（9）結(jié)構(gòu)緊湊;
（10）完善的上位機控制功能。可與dcs系統(tǒng)實現(xiàn)通訊或i/o方式硬連接。
（11）主要器件均采用世界一流廠商的成熟產(chǎn)品，產(chǎn)品從元器件至半成品及成品，均實現(xiàn)100%的嚴格測試。各系列產(chǎn)品出廠前均完成100% 72h以上負載測試記錄，確保產(chǎn)品的可靠性。
（12）在系統(tǒng)運行安全可靠性設計方面，我公司擁有獨享專利技術(shù):一種使電解電容延長一倍使用壽命的裝置。
（13）有較強的工程設計能力和溝通意愿，能根據(jù)用戶現(xiàn)場條件和控制要求量身定做，及時滿足用戶的不同需求;
（14）功率單元模塊化設計，可以互換，維護簡單;
（15）二次接線模塊化設計，現(xiàn)場接線簡單，安裝周期短。
2
鐵合金的生產(chǎn)，多數(shù)靠金屬氧化物等礦石還原。這種還原需要在較高溫度下、消耗大量能源才能實現(xiàn)。電爐作為鐵合金生產(chǎn)的主要設備,電爐產(chǎn)生的高溫煙氣，經(jīng)煙道進入空冷器冷卻再進入袋式除塵器。除塵器清下的積塵，由煙塵灰斗排出，凈化后的廢氣經(jīng)風機送入煙囪，排入大氣。除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電爐煉鐵時產(chǎn)生的有害物污染主要體現(xiàn)在電爐加料、冶煉、出鐵3個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，由于吹氧或加礦石而產(chǎn)生大量赤褐色濃煙。在上述3個冶煉期中，氧化期產(chǎn)生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高。因此，電爐除塵系統(tǒng)按照氧化期的最大煙塵排量進行設計。在系統(tǒng)最大風量需求的基礎上增加1.1～1.3倍的安全裕度進行除塵風機選型設計。整個冶煉過程中吹氧時期占30～35%，此時風機處于較高負荷運行，而其余時間則處于較低運行工況。很顯然，除塵系統(tǒng)的利用率很低且系統(tǒng)效率差。
長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產(chǎn)生的粉塵大小均使除塵風機全速運行，騰達西北鐵合金有限公司原采用液力耦合器調(diào)節(jié)，效率低、功耗大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇，節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)發(fā)展提高競爭力的有效手段之一。
為滿足高壓變頻改造中的變頻器要求，我廠本著安全第一、質(zhì)量可靠的方針進行認真的分析，認為采用jd-bp37高壓變頻器完全能滿足要求，制定出如下技術(shù)方案，此方案具有以下特點:
（1） 優(yōu)良的調(diào)速性能，滿足負載工藝要求;
（2） 良好的節(jié)能效果，提高系統(tǒng)運行效率;
（3） 實現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命;
（4） 系統(tǒng)安全、可靠，確保負載連續(xù)運行;
（5） 控制方便、靈活，自動化水平高。
2 變頻器選型及性能特性
設計時，根據(jù)電機容量，及考慮海拔高度，選用高壓變頻器，對風機系統(tǒng)進行改造，變頻器串在原控制回路中，通過旁路開關(guān)柜來進行工/變頻的轉(zhuǎn)換，保持原來的啟停操作方式不變。改造后，通過高壓變頻器，來控制高壓風機運行。
電爐的冶煉周期一般為70～85分鐘，其中裝料6～10%，送電熔化25～30%，吹氧30～35%，還原期15～20%，沖渣出鐵6～8%。在不同的生產(chǎn)工藝階段，電爐產(chǎn)生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時廢鋼及渣料產(chǎn)生的揚塵，需要的除塵風量不大，要求粉塵不擴散，不污染電爐周邊工作環(huán)境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發(fā)可燃廢棄物燃燒產(chǎn)生廢氣。此時，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài)，要求煙塵能夠及時排出，又不能過多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間，不僅要求除塵系統(tǒng)能夠及時迅速的將廢氣和粉塵排走，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度，確保終點溫度。因此，對除塵系統(tǒng)要求較高。進入還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時，主要排放物是沖渣產(chǎn)生的水蒸汽和少量廢氣。
通過對冶煉工藝的分析:電爐在煉鐵過程的不同階段對除塵風量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉為最大，加料除塵為最低。鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風機的運行方式和設備特點，對除塵風機的控制選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的，適合驅(qū)動高壓異步電動機的jd-bp37-800f型變頻器。
2.1 主要技術(shù)性能指標
（1）額定輸入電壓，6kv（-20%～+15%）;
（2）輸入頻率，45 ～ 55hz;
（3）輸入方式，36脈沖二極管全波整流輸入;
（4）輸出方式，每相6單元 載波移相 正弦波脈寬調(diào)制輸出;
（5）輸入功率因數(shù)，大于0.96（額定負載時）;
（6）效率（含變壓器），大于96%（額定負載時）;
（7）輸出頻率，0 - 50hz，連續(xù)可調(diào);
（8）頻率分辨率，0.01hz;
（9）過載能力，120%連續(xù)，150%1min;
（10）控制電源，雙路供電，220vac，5kva;
（11）冷卻方式，強制風冷;
（12）防護等級，ip20;
（13）模擬量輸入，四路，0～5v/4～20ma，任意設定;
（14）模擬量輸出，兩路，0～5v/4～20ma可選;
（15）開關(guān)量輸入輸出，32入/16出（可按用戶要求擴展）;
（16）通訊接口，rs－485接口;
（17）運行環(huán)境溫度，0～40℃;
（18）貯存/運輸溫度， -40～70℃;
（19）環(huán)境濕度，<90%（20℃時），不凝露;
（20）安裝海拔高度，<1000m（超過1000m時，需降額運行）;
（21）運行參數(shù)自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調(diào)整功能、瞬時停電自動跟蹤功能、單元旁路功能等。
2.2 外形尺寸及安裝要求
變頻器外形尺寸（不含旁路柜）
長×寬×高= 4600×1200×2300（mm）
旁路柜外形尺寸
長×寬×高= 1200×1200×2300（mm）
變頻器采用底部進出線方式，從正面看，高壓進出線孔位于左部旁路柜居后的位置，二次進出線電纜孔位于控制柜居前的位置。變頻器應安裝在電纜溝上，如圖2所示。
圖2 變頻器安裝圖（側(cè)面）
變頻器在正面操作。為了保證操作、維護的方便性和通風散熱效果，變頻器正面距墻距離不小于1.5m，背面和頂部距墻距離不小于1m。
室內(nèi)冷卻方式:空調(diào)制冷;墻上安裝排風扇;柜頂加風罩集中通風。
2.3 風光變頻器的主要優(yōu)勢特點
風光jd-bp系列高壓變頻器與國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較，在產(chǎn)品功能設計、產(chǎn)品質(zhì)量保障措施、系統(tǒng)安全設計和服務方面，具有以下優(yōu)勢和特點:
（1）輸入、輸出諧波含量低，輸入功率因數(shù)高。無須濾波器和功率因數(shù)補償，可直接驅(qū)動電機;
（2）系統(tǒng)控制電源采用220vac和高壓主電源降壓隔離后雙路供電，系統(tǒng)運行更可靠、操作更簡便。可在無高壓電的情況下檢測變頻器的輸出及各點波形，便于調(diào)試、檢修及操作人員陪訓;
（3）冷卻風機采用高壓主電源降壓后直接驅(qū)動，風機僅在上高壓電且變頻器開機后運行，避免了冷卻風機啟、停時對控制系統(tǒng)的影響;
（4）功率單元工作電源為外部開關(guān)電源，避免了高壓瞬時掉電時對單元的控制電源的影響;
（5）更適應于國內(nèi)電網(wǎng)條件，變頻器工作電壓范圍為（+15%～－20%）un，如6kv系列可穩(wěn)定運行于6900v電壓條件下;
（6）瞬時停電保護功能。當主電源失電后，變頻器控制電機處于發(fā)電狀態(tài)運行，為單元電容充電，并為單元控制電源供電，直至主電源恢復，變頻器回到原運行狀態(tài)。瞬時停電時間典型值為3s（具體時間可以根據(jù)用戶的系統(tǒng)而定），超過3s變頻器則保護，檢查停電原因，以免變頻繼續(xù)運行而引起事故;
（7）限流功能。避免啟動或負載突然變化時，使變頻器輸出電流過大而導致保護動作;
（8）操作平臺采用全中文win系統(tǒng)，運行穩(wěn)定，且易學易用;
（9）結(jié)構(gòu)緊湊;
（10）完善的上位機控制功能。可與dcs系統(tǒng)實現(xiàn)通訊或i/o方式硬連接。
（11）主要器件均采用世界一流廠商的成熟產(chǎn)品，產(chǎn)品從元器件至半成品及成品，均實現(xiàn)100%的嚴格測試。各系列產(chǎn)品出廠前均完成100% 72h以上負載測試記錄，確保產(chǎn)品的可靠性。
（12）在系統(tǒng)運行安全可靠性設計方面，我公司擁有獨享專利技術(shù):一種使電解電容延長一倍使用壽命的裝置。
（13）有較強的工程設計能力和溝通意愿，能根據(jù)用戶現(xiàn)場條件和控制要求量身定做，及時滿足用戶的不同需求;
（14）功率單元模塊化設計，可以互換，維護簡單;
（15）二次接線模塊化設計，現(xiàn)場接線簡單，安裝周期短。
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