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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
一、 引言
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。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(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(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，為了提高風機的運行效率，節(jié)能降耗，必須對風機調(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.混鐵爐除塵風機工況：
混鐵爐系統(tǒng)除塵設(shè)計風量：66萬m3/h
風道漏風損耗率設(shè)計： 10％
進鐵水（或大包倒小包）除塵需要風量：25萬m3/h
出鐵水除塵需要風量： 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.混鐵爐除塵風機主電機的技術(shù)參數(shù)如下：
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(diào)速系統(tǒng)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(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：
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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(shù) |
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(shè)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(guān)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 |
3.變頻器主回路方案：
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(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。
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狀態(tài) |
轉(zhuǎn)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 |
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低速 |
300 rpm |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
無設(shè)備工作 |
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中速 |
520 rpm |
0 |
1 |
0 |
—— |
0 |
0 |
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0 |
—— |
0 |
1 |
0 |
0 |
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高速 |
680 rpm |
1 |
—— |
—— |
—— |
—— |
—— |
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—— |
—— |
1 |
—— |
—— |
—— |
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—— |
—— |
—— |
—— |
1 |
—— |
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—— |
—— |
—— |
—— |
—— |
1 |
狀態(tài)說明：0：風口關(guān)閉
1：風口打開
——：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。
四、交鑰匙工程整體施工方案：
1.由于目前設(shè)備使用液力耦合器，考慮到風機運行的穩(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，保證電機與風機之間的同心度≦0.05mm。
2.高壓變頻器主設(shè)備安裝在風機值班室內(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）柜頂加裝排風管，使變頻器自身產(chǎn)生的大部分熱量通過排風系統(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)風冷空調(diào)。
4.施工時間安排見下表
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施工項目名稱 |
內(nèi)容 |
時間 |
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土建 |
電纜溝的挖掘、高低壓電纜的敷設(shè)、電纜橋架的安裝、變頻器設(shè)備的就位、排風管道安裝 |
4天 |
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機械 |
液偶的拆除、電機的移位與安裝、變頻器的安裝 |
4天 |
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電氣試驗 |
設(shè)備變壓器、電纜頭及旁路柜耐壓試驗。 |
1天 |
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設(shè)備接線 |
設(shè)備自身接線及設(shè)備與PLC接線 |
2天 |
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電氣調(diào)試 |
系統(tǒng)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 |
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合計 |
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14天 |
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。
五、節(jié)能測算及投資分析：
1.上變頻器前后的相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計
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上變頻器前 |
上變頻器后 |
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電機實際運行電流 |
150A |
進鐵電機實際電流 |
110 A |
對應(yīng)轉(zhuǎn)速 |
667r/min |
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電機實際功率因數(shù) |
0.8 |
出鐵電機實際電流 |
45 A |
對應(yīng)轉(zhuǎn)速 |
520 r/min |
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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(yīng)轉(zhuǎn)速 |
300 r/min |
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出鐵實際需要風量 |
36萬m3/h |
電機實際功率因數(shù) |
0.95 |
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實際轉(zhuǎn)速 |
680r/min |
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2.工頻用液偶調(diào)速狀態(tài)下除塵風機的功耗計算：
Pd = ×U×I×cosφ = ×6.3×150×0.8=1309.4 kW
3.變頻狀態(tài)下除塵風機的功耗計算：
（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）可使電動機與風機直接相連接，減少傳動環(huán)節(jié)的費用；
5）電機和風機運轉(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)備維護成本及風險成本。
六、結(jié)束語：
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。可以說這是一個產(chǎn)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(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
作者簡介
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
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