高壓變頻器在杭鋼混鐵爐除塵風機上的應用
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【摘要】本文結合混鐵爐轉爐除塵風機的生產工藝，綜述了高壓變頻器的性能特點及系統原理，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電效果。
【關鍵詞】混鐵爐 高壓變頻器 交鑰匙工程 節能降耗
一、 引言
杭州鋼鐵集團轉爐煉鋼廠設置兩座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生劇烈的化學反應，產生大量的煙氣。一方面對現場操作的工人不利，另一方面也對環境造成了巨大的污染。混鐵爐多種進出鐵工況條件下風量隨時變化，因此該除塵風機需要多種速度來適應。在以前的運行過程中，由于一方面液力耦合器不能適應頻繁的調速，另一方面原設計現場閥門信號與風機調速控制分屬兩個控制系統，兩者之間沒有信號聯系。因此原有除塵風機運行方式基本為恒速運行，其運行轉速保持在約680rpm左右，運行電流約在150A，僅通過現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閉造成風機振動過大，其中一臺大包倒小包閥門始終打開，大量風量直接排空，導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，為了提高風機的運行效率，節能降耗，必須對風機調速控制進行改進。
近幾年隨著國內高壓變頻器技術的進步，變頻器的性價比和穩定性有很大幅度的提升，經過考察，我廠最終選擇了北京利德華福電氣技術有限公司的Harsvert-A系列高壓變頻器對風機進行調速控制。該項目采用節能還款合同形式，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月份安裝調試完畢投入運行，至今已穩定運行近四個月，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介紹
1、混鐵爐除塵風機工況：
混鐵爐系統除塵設計風量：66萬立方米/小時
風道漏風損耗率設計： 10％
進鐵水（或大包倒小包）除塵需要風量：25萬立方米/小時
出鐵水除塵需要風量： 6萬立方米/小時
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： 約180次
日進鐵水總次數： 約120次
進鐵時，當捕集罩關到位后，相應的閥門打開。出鐵時，混鐵爐離開零位后，相應的出鐵口閥門打開。
2、混鐵爐除塵風機主電機的技術參數如下：
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：0.84
3、工藝要求：
現場提供具體工作情況分為以下6種工作情況：
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量12萬m3/h ；
4）：一個進鐵口一個出鐵口同時打開需要風量31萬m3/h；
5）：一個進鐵口兩個出鐵口同時打開需要風量37萬m3/h；
6）：兩個進鐵口同時打開需要風量50萬m3/h。
三、高壓變頻調速系統改造方案：
1、HARSVERT-A高壓變頻器的原理
采用高-高電壓源型，單元串聯多電平技術。電網電壓經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電壓源型逆變結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現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脈沖的整流電路結構。
2、本項目共配置1臺高壓變頻器，其詳細參數如下：
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變頻器型號 |
HARSVERT-A06/200 |
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適配電機功率 |
1600kW/6.3kV |
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額定輸出電流 |
200A |
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輸入功率因數 |
0.95(帶負載20%以上) |
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變頻器效率 |
額定負載下＞0.96 |
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輸出頻率范圍 |
0.5 Hz到50 Hz |
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輸出頻率分辨率 |
0.01 Hz |
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過載能力 |
120﹪1min，150﹪1min |
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模擬量輸入 |
1～10V/4～20mA，任意設定 |
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模擬量輸出 |
1～10V/4～20mA，可選 |
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加、減速時間 |
0.1～3000s |
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控制開關量輸入/輸出 |
4路輸出/4路輸入 |
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冷卻方式 |
風冷 |
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柜體防護等級 |
IP31 |
由于風機進風口沒有風門，因此這次改造沒有安裝工頻旁路柜。
即用戶電網直接接高壓變頻器，然后接電機。
4、根據混鐵爐的工藝要求，我們在滿足除塵環保要求的前提下，為簡化控制邏輯，現場PLC直接根據出鐵口、進鐵口的爐蓋位置開關狀態來控制變頻器的轉速，變頻器預設3個速度點，根據現場所需風量不同自動調節電機轉速。
現場送6個開關量信號進PLC，在程序內編程以達到變頻器高、中、低速運行。
| 狀態 | 轉速 | 1號爐進鐵風口 | 1號爐出鐵風口 | 2號爐進鐵風口 | 2號爐出鐵風口 | 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 |
1：風口打開
——：任意狀態
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閉，啟動過程啟動電流應在電機額定電流的6-8倍左右，如果電網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。 四、交鑰匙工程整體施工方案：
1、由于目前設備使用液力耦合器，考慮到風機運行的穩定性，因此拆除液力耦合器，將電機向前移位采用直接連接方式；對電機移位后與風機直聯的磨擦片接手重新定制，重新制作鋼底座作為電機基礎，同時為確保設備投運后的安全，應確保的安裝精度，保證電機與風機之間的同心度≦0.05mm。
2、高壓變頻器主設備安裝在風機值班室內，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，同時敷設現場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，采集現場閥門狀態信號，實現變頻器三段速的自動調節及變頻器信號的反饋。此外還需敷設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）、柜頂加裝排風管，使變頻器自身產生的大部分熱量通過排風系統釋放到室外；
（2）、改裝現有的窗戶，進行雙層玻璃保溫；
（3）、加裝一臺10匹的工業風冷空調。
4、施工時間安排見下表
| 施工項目名稱 | 內容 | 時間 |
| 土建 | 電纜溝的挖掘、高低壓電纜的敷設、電纜橋架的安裝、變頻器設備的就位、排風管道安裝 | 4天 |
| 機械 | 液偶的拆除、電機的移位與安裝、變頻器的安裝 | 4天 |
| 電氣試驗 | 設備變壓器、電纜頭及旁路柜耐壓試驗。 | 1天 |
| 設備接線 | 設備自身接線及設備與PLC接線 | 2天 |
| 電氣調試 | 系統的控制電試驗 變頻器自身高壓上電試驗 變頻器的帶電機及帶風機試驗 |
1天 1天 1天 |
| 合計 | 14天 |
最終，北京利德華福電氣技術有限公司憑借優質、快捷的售后服務，順利將設備投入運行，運轉情況良好，整體工程一次性驗收。
五、節能測算及投資分析：
1、上變頻器前后的相關參數統計
| 上變頻器前 | 上變頻器后 | ||||
| 電機實際運行電流 | 150A | 進鐵電機實際電流 | 110 A | 對應轉速 | 667r/min |
| 電機實際功率因數 | 0.8 | 出鐵電機實際電流 | 45 A | 對應轉速 | 520 r/min |
| 進鐵實際需要風量 | 60萬m3/h | 沒有進出鐵電機 實際電流 |
4.4 A | 對應轉速 | 300 r/min |
| 出鐵實際需要風量 | 36萬m3/h | 電機實際功率因數 | 0.95 | ||
| 實際轉速 | 680r/min | ||||
2、工頻用液偶調速狀態下除塵風機的功耗計算
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工頻下每年耗電量為1037萬度，每年耗電費為518.5萬元。
3、變頻狀態下除塵風機的功耗計算
（1）高速運行時，轉速為667rpm
考慮到有可能兩座爐同時進鐵水需同時除塵，預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
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考慮到至少有一個出鐵狀態，每天預計運行10小時。則
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在不除塵時，只要保證正常的工作環境和能夠保證正常提速至除塵狀態即可，每天預計運行2小時。則
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4、綜上所述，除塵風機上高壓變頻器后較以前工頻液力耦合器調速，每年可節約電量339.6萬度，每年節約電費為169.8萬元。
同時還產生了其他效果：
1） 限制啟動電流，減少啟動的峰值功率省耗；
2） 改善電網功率因數，變頻器可使系統的功率因數保持在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） 可使電動機與風機直接相連接，減少傳動環節的費用；
5） 電機和風機運轉速度下降，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能改造，預計該項目的總投資回報期約在16個月左右，總投資內容包括設備成本、配件成本、運輸成本、工程設計成本、工程安裝成本、效果檢測成本、資金融資成本、設備維護成本及風險成本。
六、結束語：
綜合看來,本套高壓變頻調速系統的投入，對提高杭鋼集團動力公司電能的使用效率，降低公司的生產成本，保證混鐵爐除塵風機的安全運行以及生產工作自動化程度的提高有著積極、重要的作用。可以說這是一個產品適用性強,投資回報快的高科技項目。
參考文獻
[1].高壓變頻調速系統HARSVERT-A系列技術手冊 北京利德華福電氣技術有限公司
[2].高壓變頻器應用資料匯編－冶金行業 北京利德華福電氣技術有限公司
作者簡介
杭州鋼鐵集團 轉爐電氣工程師 盧芬蘭
北京利德華福電氣技術有限公司 技術工程部 晏鹍