產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在混鐵爐除塵風機上的應用
1 引言
河北興華鋼鐵有限公司煉鋼廠有一座600噸混鐵爐，混鐵爐擔負著煉鋼廠2座轉爐的提供鐵水任務，高爐鐵水注入鐵水罐，經鐵路運輸至混鐵爐區域。兌鐵時天車吊起鐵水罐兌入混鐵爐，鐵水在混鐵爐內保溫，在轉爐需要鐵水時傾動混鐵爐，將鐵水注入鐵水包中，供給轉爐。混鐵爐的煙塵嚴重污染環境。而混鐵爐的頂兌鐵給混鐵爐的兌鐵除塵煙罩安裝帶來一定的困難。即使勉強安裝其除塵效果也不理想。而且鐵水由鐵水罐兌入混鐵爐的同時，漂浮在鐵水表面鐵渣也一同倒入混鐵爐內，使得混鐵爐內鐵水液面位置爐襯耐火材料腐蝕嚴重，降低了爐襯的使用壽命。所以生產中要求控制鐵水的含渣量。
混鐵爐系統主要用于調節高爐連續生產和轉爐斷續生產的節奏，是調節高爐煉鐵和轉爐煉鋼的緩沖帶。混鐵爐設有一個兌鐵口和一個出鐵口，混鐵爐兌鐵或出鐵時，高溫的鐵水會同空氣發生劇烈的化學反應，產生大量的煙氣。為改善現場環境，降低污染，節約除塵成本，需要對混鐵爐的兌鐵、出鐵進行除塵。該除塵設施配置Y4-73NO.235D除塵風機一臺（配套電機功率800kW），混鐵爐除塵風機在生產過程中需要不同風量來適應混鐵爐兌出鐵工藝要求，為降低除塵成本，需對除塵風機進行調速控制。河北興華鋼鐵煉鋼廠領導經過對比，通過招標方式選購了新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP38型高壓變頻器對風機進行調速控制。混鐵爐除塵風機高壓變頻器于2014年4月份調試完畢投入運行，至今已穩定運行一年多。
2混鐵爐生產概述
混鐵爐采用側面兌鐵技術，兌鐵時混鐵爐在“0”位。在混鐵爐出鐵口下設置鐵水罐車軌道一條，并設軌道衡稱量出爐鐵水重量。由于考慮到混鐵爐檢修或故障，以及混鐵爐本身的容量不足，部分高爐鐵水罐將直接從高爐鐵水罐翻入轉爐鐵水罐。
(1)兌鐵操作：當高爐鐵水罐車被火車運到混鐵爐區域以后，由混鐵爐區域行車吊將鐵水罐吊到混鐵爐一側準備兌鐵。此時，兌鐵操作工通過兌鐵操作臺操作兌鐵門開蓋卷揚機正向運行，將兌鐵門打開，再操作在待機位的兌鐵小車正向運行至混鐵爐的兌鐵門處，將兌鐵槽口插入兌鐵門，同時兌鐵側的兩個除塵閥門打開。行車吊在兌鐵小車就位以后就通過兌鐵槽將鐵水兌入混鐵爐。兌鐵結束后，行車吊將空罐吊回，兌鐵操作工操作兌鐵小車反向運行移至待機位，再操作兌鐵門開蓋卷揚機反向運行，關閉兌鐵門，同時兌鐵側兩個除塵閥門關閉。整個兌鐵過程結束。
(2)出鐵操作：當轉爐需要鐵水時，混鐵爐鐵水罐車操作工操作鐵水罐車運行到混鐵爐下的出鐵軌道衡上，同時出鐵側的除塵閥門打開，混鐵爐操作工通過出鐵操作臺將混鐵爐傾動到出鐵位，把爐內鐵水倒入鐵水罐車上的轉爐鐵水罐中，同時軌道衡的大屏幕上顯示鐵水罐車內的鐵水重量，在達到重量預定值時，出鐵操作工把混鐵爐搖回”0”位。混鐵爐鐵水罐車操作工操作轉爐鐵水罐車運行到吊罐位，由行車吊將轉爐鐵水罐吊至脫硫站鐵水罐車上脫硫或直接兌入轉爐吹煉，出鐵側除塵閥門關閉。整個出鐵過程結束。
(3)除塵風機工藝要求：
河北興華鋼鐵煉鋼廠混鐵爐，當混鐵爐既不兌鐵也不出鐵時不需要風量，維持風機低轉速；當混鐵爐工作時，一個兌鐵口兌鐵需要風量43萬m3/h；一個出鐵口出鐵需要風量28萬m3/h。
兌鐵：由一臺100t天車完成，每罐兌鐵時間為4-6min。
出鐵：混鐵爐出鐵30罐/班，每天三班，每班八小時，單罐出鐵時間2-3min，傾倒鐵水時間周期約為12 min。
4 改造項目現場設備參數
4.1現場電機技術參數
除塵風機電機參數如下表1所示。電機安裝現場如圖1所示。
| 表1 三相異步電機技術參數 | |||
| 型號 | YKK630-6 | 額定電壓 | 10kV |
| 額定功率 | 800kW | 額定頻率 | 50Hz |
| 功率因數 | 0.86 | 接法 | Y |
| 額定電流 | 57.3A | 額定轉速 | 989r/min |
| 生產廠家 | 蘭州電機有限責任公司 | ||
圖1 除塵風機電機
4.2 JD-BP38-800F 高壓變頻器技術參數
選用新風光電子科技股份有限公司生產的風光牌JD-BP38-800F 高壓變頻器(800kW/10kV）對除塵風機進行改造，高壓變頻器技術參數如下表2所示。
| 表2 JD-BP38-800F 高壓變頻器技術參數 | |||
| 變頻器容量（kW） | 800 | 模擬量輸入 | 0～5V/4～20mA，任意設定 |
| 適配電機功率（kW）（kW）（kW） | 800 | 模擬量輸出 | 兩路0～5V/4～20mA可選 |
| 額定輸出電流（A） | 58 | 加減速時間 | 1—32000s |
| 輸入頻率（Hz） | 45～55 | 開關量輸入輸出 | 可按用戶要求擴展 |
| 額定輸入電壓（V） | 10000V（－20%—+15%） | 運行環境溫度 | 0～40℃ |
| 輸入功率因數 | >0.95（>20%負載） | 貯存/運輸溫度 | -20～70℃ |
| 變頻器效率 | 額定負載下>0.98 | 冷卻方式 | 強迫風冷 |
| 輸出頻率范圍（Hz） | 0～120 | 環境濕度 | <90%，無凝結 |
| 輸出變頻分辨率（Hz） | 0.01 | 安裝海拔高度 | <1000m，高海拔降額使用 |
| 過載能力 | 105%連續，150%允許1分鐘。 | 防護等級 | IP20 |
5風光公司高壓變頻調速系統技術特點
風光牌JD-BP37/38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
(2)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
(3)完整的工頻/變頻自動互切技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
(4)旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
(5)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
(6)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
(7)單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍。
(8) 散熱結構設計合理，單元串聯多重化并聯結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue)，設備可靠性更高。
(9) 具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。
(10) 限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數。
(11) 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續運行。
6混鐵爐除塵風機變頻控制方案
整個混鐵爐工作過程為間斷式工作方式。在兌鐵、出鐵期間，煙塵量大，除塵風機需在高速或者中速狀態運行；其他時間，煙塵量較小，風機抽風量相應降低，風機降速運行；周而復始。通過變頻調速器對混鐵爐處于非兌鐵、出鐵期間電機自動降速運行，從而達到節能減排的目標。
通過目前已有的DCS系統調節變頻器頻率來調節除塵風機風量。利用DCS對變頻器進行啟動、停機、調速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態，實時監控系統運行。操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(如RS485)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。利用高壓變頻器根據實際需要對除塵風機進行變速運行，既保證和改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。
為了保證除塵系統的可靠性，變頻器裝置具有工頻旁路裝置，當變頻器發生故障停止運行時，電機切換到工頻下運行，這樣可以保證生產除塵要求，提高了整個系統的安全穩定性。
7除塵風機主回路方案
為了最大限度地提高設備的利用率，使變頻發生故障時也能保證風機的正常運行，從而保證生產。保留原有工頻液阻啟動系統，保留電機綜合保護裝置（工頻時投入）。采用一拖一手動工/變頻切換方案。在變頻器發生故障時，能手動切換到原來的工頻液阻啟動方式，保證除塵風機繼續運行。系統手動旁路柜一次回路如圖2所示。
圖2 手動旁路柜一次回路
旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，利用液阻柜啟動電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻器輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。為了實現變頻器故障的保護，變頻器對用戶開關DL進行連鎖，一旦變頻器故障，變頻器聯跳DL。工頻旁路時，變頻器應允許DL合閘，撤消對DL的跳閘信號，使電機能正常通過DL合閘工頻啟動。
選擇變頻系統時，不投入液阻柜；只有選擇工頻狀態時液阻柜啟動才有效。
8混鐵爐除塵風機變頻改造效果
高壓變頻器設備于2014年4月初正式投入運行，至今運行良好。變頻器使用方便，可靠穩定，維護量小。除塵風機根據生產工藝按需調節風量，電機運行電流大大降低，改造達到了預期目的。
8.1節能計算
混鐵爐現場直接根據出鐵口、兌鐵口的開關狀態來控制變頻器的轉速，變頻器預設3個速度，根據現場所需風量不同自動調節電機轉速。
| 表3 變頻器控制調節風量情況 | |||
| 速度 | 變頻器頻率 | 風量 | 運行情況 |
| 低速（1） | 15Hz | 14.m3/h | 既不兌鐵，也不出鐵 |
| 中速（2） | 30 Hz | 28萬m3/h | 一個出鐵口出鐵 |
| 高速（3） | 45 Hz | 43 m3/h | 一個兌鐵口兌鐵 |
根據變頻器的運行記錄，統計風機在一天中各速度段的運行時間，得到如下運行數據：
各速度段變頻器的輸入功率為：
P1＝1.732×10.15×3.27×0.97=55.76kW
P2＝1.732×10.15×10.13×0.97=172.74kW
P3＝1.732×10.14×29.70×0.97=505.96kW
則使用變頻器后一天風機所消耗的電能為：
55.76×8+172.74×5.5+505.96×10.5＝6708.73kW·h
電價按0.45元計算，整個系統按照一年運行300天計算，則一年的電費為：
6708.73×0.45×300＝90.5678萬元
如果不使用變頻器，電機始終工頻運行，則一年的電費為：
P＝1.732×10.13×49.5×0.8=694.79kW
694.79 kW×24h×300d×0.45=225.112萬元
節約電費約為：134.5441萬元
8.2變頻改造對設備的好處
（1）在工頻狀態下，除塵風機啟動后電動機按額定轉速運行，在整個生產過程風機始終處于滿負荷狀態，造成很大能源的浪費。變頻改造后，在非兌鐵出鐵期時，電機運行在低速階段。
（2）工頻狀態下，由于風機持續高速下運行，風機電動機的軸振動幅值常常高于正常的震動幅值，導致電動機的軸瓦使用壽命縮短。不但增加了維修費用，而且還大大增加了設備故障率。使用變頻器后可有效減少設備振動，減少磨損，降低了設備維護費用。
（3）在變頻器沒有安裝以前高壓電機采用直接啟動，變頻改造以后，變頻器拖動電機從0.5Hz軟啟動，啟動電流不超過額定電流，不僅讓風機開停機極為方便；還減小了啟動時對電機、風機及整個除塵系統的沖擊，提高了系統穩定性。
9結束語
在河北興華鋼鐵煉鋼廠領導的大力支持下，混鐵爐除塵設備改造達到了預期目的。除塵風機系統的投入使用不僅有效地改善了混鐵爐作業時造成的揚塵污染，給現場操作工創造了良好的工作條件，降低了除塵系統運行的成本，而且響應了國家節能減排及保護環境的號召。
