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杭州鋼鐵集團  盧芬蘭

北京利德華福電氣技術(shù)有限公司  晏鹍

 

【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

    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)有一個進鐵口和一個出鐵口，傾翻工位相當于混鐵爐進鐵口。當混鐵爐進鐵或出鐵時，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)速控制進行改進。   

    近幾年隨著國內(nèi)高壓變頻器技術(shù)的進步，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)有限公司生產(chǎn)的HARSVEST-A系列高壓變頻器對風(fēng)機進行調(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m³/h

    風(fēng)道漏風(fēng)損耗率設(shè)計： 10％

    進鐵水（或大包倒小包）除塵需要風(fēng)量：25萬m³/h

    出鐵水除塵需要風(fēng)量： 6萬m³/h

    進鐵水除塵需要時間：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

    日進鐵水總次數(shù)：約120次

    進鐵時，當捕集罩關(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：

    1）一個進鐵口工作需要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）一個進鐵口一個出鐵口同時打開需要風(fēng)量31萬m³/h；

    5）一個進鐵口兩個出鐵口同時打開需要風(fēng)量37萬m³/h；

    6）兩個進鐵口同時打開需要風(fēng)量50萬m³/h。 

 

   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3500V，線電壓達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，其詳細參數(shù)如下：

 

    3.變頻器主回路方案：

    由于風(fēng)機進風(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PLC，在程序內(nèi)編程以達到變頻器高、中、低速運行。

狀態(tài)	轉(zhuǎn)速	1號爐進鐵風(fēng)口	1號爐出鐵風(fēng)口	2號爐進鐵風(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

    狀態(tài)說明：0：風(fēng)口關(guān)閉

           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行整定。旁路運行時如將進氣口閥門全部關(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。

    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，為了防止因溫度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

    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。

   1.上變頻器前后的相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計

    2.工頻用液偶調(diào)速狀態(tài)下除塵風(fēng)機的功耗計算：            

       Pd = ×U×I×cosφ = ×6.3×150×0.8=1309.4 kW

       以年運行時間7920小時（約330天）、電價0.5元/度計算，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P1 = ×U×I×cosφ = ×6.3×110×0.95=1140 kW

    （2）中速運行時，轉(zhuǎn)速為520rpm：

    考慮到至少有一個出鐵狀態(tài)，每天預(yù)計運行10小時。

則P2 = ×U×I×cosφ = ×6.3×45×0.95=466.5 kW

    （3）低速運行時，轉(zhuǎn)速為300rpm：

    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P3 = ×U×I×cosφ = ×6.3×4.4×0.95=45.6 kW

    （4）仍以年運行時間7920小時（約330天）、電價0.5元/度計算，則變頻后每年耗電量為697.4萬度，每年耗電費為348.7萬元。

    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損耗；

    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。

    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。

 

[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

 

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