摘 要：本文在分析電弧爐設(shè)備的運行現(xiàn)狀和研究電弧爐除塵系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，通過深圳英威騰CHH100系列高壓變頻器在河北永洋鋼鐵廠除塵系統(tǒng)改造中的應(yīng)用實例，介紹了高壓變頻技術(shù)在煉鋼廠電弧爐除塵系統(tǒng)中的實現(xiàn)。實例證明，該變頻技術(shù)在節(jié)能降耗、提高自動化控制水平方面具有很好的應(yīng)用前景

關(guān)鍵詞：高壓變頻技術(shù);電弧爐除塵系統(tǒng);節(jié)能.

1.前言

河北永洋鋼鐵有限公司系中外合資企業(yè)，于1993年由原永年縣軋鋼廠、湖南常德城市建設(shè)開發(fā)公司和香港億洲有限公司合資成立，1994年10月正式投產(chǎn)?，F(xiàn)有員工2000余人，其中中高級技術(shù)人員和管理人員150余人。公司占地面積20萬平方米，總資產(chǎn)11億元。有中型軋鋼生產(chǎn)線四條(800#軋機生產(chǎn)線一條, 650#軋機生產(chǎn)線一條和500#軋機生產(chǎn)線兩條),年生產(chǎn)能力70萬噸。

2. 改造背景

鋼鐵廠以其資源密集、能耗密集、生產(chǎn)規(guī)模大、物流吞吐量大等特點，長期以來一直被認為是煙塵排放量大、廢棄物多、污染大的企業(yè)。而電弧爐煉鋼是一些鋼鐵廠造成煙塵污染的主要來源之一。

電弧爐在冶煉過程中會產(chǎn)生大量高溫?zé)煔猓绮皇占幚?，將造成非常嚴重的空氣污染。近年來，隨著冶煉工藝的提高，冶煉節(jié)奏大大加快，電弧爐用氧量猛增，隨之帶來的是煙氣發(fā)生量的成倍增加，除塵設(shè)施處理能力不斷改造加大。同時，煙氣除塵設(shè)施在煉鋼企業(yè)中作為輔助裝備，具有能源消耗量大、運行費用高的特點。長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產(chǎn)生的煙氣粉塵大小均使除塵風(fēng)機全速運行，采用入口擋板開度調(diào)節(jié)，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。同時，根據(jù)電爐的特點，每個月電爐要洗2至4次爐底，每個月電爐要檢修一次，一般檢修24小時，由于電機是2240kW的高壓電機，運行在工頻狀態(tài)每次電機啟動非常困難，沒有特殊情況一般不停高壓風(fēng)機，也就是說電爐檢修時一般不停除塵風(fēng)機，電機始終滿負荷運行，電能耗浪費很大。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。基于以上原因，我們對煉鋼廠除塵進行改造。

3.系統(tǒng)技術(shù)方案研究與選型

電爐煉鋼時產(chǎn)生的有害物污染主要體現(xiàn)在電爐加料、冶煉、出鋼三個階段。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。在上述三個冶煉期中，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(shè)計。在系統(tǒng)最大風(fēng)量需求的基礎(chǔ)上增加1.1~1.3倍的安全閾度進行除塵風(fēng)機選型設(shè)計。整個煉鋼過程中吹氧時期占30~35%，此時風(fēng)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(fēng)機全速運行，采用入口擋板開度調(diào)節(jié)，效率低、功率大、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。

電弧爐除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過對冶煉工藝的分析：電爐在煉鋼過程的不同階段對除塵風(fēng)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(fēng)機的運行方式和設(shè)備特點，加上除塵風(fēng)機是除塵凈化系統(tǒng)的動力中樞，一旦除塵風(fēng)機不能正常運行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失，還有可能威脅到現(xiàn)場生產(chǎn)人員的人身安全;另外，調(diào)速系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣;同時轉(zhuǎn)爐又周期性間斷吹氧;所以，和除塵風(fēng)機配套的高壓調(diào)速系統(tǒng)，要求具有極高的可靠性?；谝陨瞎ぷ魈攸c，對變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要要求如下：

1)要求變頻器要有高可靠性，長期運行無故障。

2)要求變頻器有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機切換到工頻運行。

3)調(diào)速范圍要大，效率要高。

4)有共振點跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電機避開共振點運行，讓風(fēng)機不喘震。

經(jīng)過多方調(diào)研、比較，最后決定采用采用了一套深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發(fā)、生產(chǎn)的多單元串聯(lián)的高─高形式的CHH100系列10kV/2500kW高壓變頻器調(diào)速裝置。通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了電弧爐除塵風(fēng)機的變頻改造方案，改造方案如下：

(1).變頻調(diào)速技術(shù)在電爐除塵系統(tǒng)中應(yīng)用后，主要體現(xiàn)了以下幾個特點：

(1.1)以前電氣和閥門等控制方式都應(yīng)繼續(xù)保留，以便在風(fēng)機系統(tǒng)在任何情況下都能運行。

(1.2)根據(jù)以往工程應(yīng)用情況，現(xiàn)場的風(fēng)機設(shè)備在正常調(diào)節(jié)過程，我公司CHH100系列變頻器都能滿足升降速調(diào)節(jié)的時間要求，可以不用單獨配置制動單元。

(1.3)除塵設(shè)備功耗隨電爐煉鋼生產(chǎn)工藝變負荷運行，提高了系統(tǒng)效率;實現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的最佳工況運行。取得顯著的節(jié)能效果。

(1.4) 大大有效降低了除塵系統(tǒng)負荷率，延長了除塵器、除塵風(fēng)機、除塵電機、煙道等設(shè)備的使用壽命。

(1.5) 對降低爐內(nèi)熱量損失，合理控制過程溫度，確保終點溫度起到一定的作用。

(1.6) 對除塵系統(tǒng)進行變頻改造，有助于改善爐內(nèi)吹煉工況，縮短煉鋼時間，提高鋼產(chǎn)量改善出鋼品質(zhì)。

(1.7) 降低補爐期間的能耗和爐襯散熱損失。

(2).變頻器配置

根據(jù)現(xiàn)場的額定參數(shù)和實際運行工況,再結(jié)合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程地應(yīng)用情況，我公司為其配置如下變頻器，其主要地參數(shù)如下：

(3).變頻系統(tǒng)切換旁路方案

我方提供的CHH100變頻器的旁路系統(tǒng)采用一拖一手動方案，變頻器具有轉(zhuǎn)速跟蹤功能，變頻與工頻能夠手動切換，其一次系統(tǒng)如下圖所示：

CHH100系列手動一拖一高壓變頻系統(tǒng)圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關(guān)、手動旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。手動旁路柜是由三個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2、QS3組成。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計，變頻器輸入輸出高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和旁路高壓隔離開關(guān)QS3機械閉鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運行。

(1).在變頻運行狀況下，QS1、QS2閉合，QS3斷開。手動切換至工頻運行時(故障)，系統(tǒng)先停止變頻器輸出，斷開用戶開關(guān), 再由機械操作依次斷開QS1、QS2，然后機械操作閉合QS3,使電機切換至工頻側(cè)，再合上用戶開關(guān)使電機工頻運行(需要軟起)，此過程手動完成;

(2).在工頻旁路運行狀況下QS3閉合，QS1、QS2斷開。手動切換至變頻運行時，系統(tǒng)先斷開用戶開關(guān)，由機械操作斷開QS3，然后由機械操作依次閉合QS1、QS2，使電機切換至變頻側(cè)，再合上用戶開關(guān)使電機變頻運行，此過程手動完成。

(4).控制方式

由于不同工藝階段的煙氣溫度有明顯差異，因此溫度的高低直接反映了電爐的運行工況。系統(tǒng)并沒有采用檢測電爐工作中粉塵濃度的方式來直接控制除塵風(fēng)量，而是采集煙道溫度作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)的基本參量，通過非線性函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出不同運行工況下的除塵風(fēng)量參與系統(tǒng)控制。從工程角度講，溫度變送器可以在惡劣的工業(yè)場合應(yīng)用，抗干擾能力強、工作穩(wěn)定性好、控制精度高、安全可靠、免維護且價格便宜。而粉塵濃度檢測裝置價格昂貴、穩(wěn)定性差、故障率高、維護量大、現(xiàn)場檢測點數(shù)據(jù)采集很難具有廣泛代表性等缺點?；谏鲜鲈颍x用除塵煙道的煙氣溫度作為現(xiàn)場過程量。同時，以吹氧量和冷風(fēng)門開度作為除塵風(fēng)量的修整參量，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、改善控制品質(zhì)、達到良好的除塵效果、實現(xiàn)除塵風(fēng)量自動控制、降低運行人員勞動強度、提高系統(tǒng)效率，達到最佳的節(jié)電效果。具體的控制邏輯見下圖所示。

為了保證系統(tǒng)的可靠性，另外增加了除塵風(fēng)量手動控制回路，對除塵風(fēng)量的控制采用分段調(diào)速的方式由爐前操作臺控制變頻運行的頻率點，從而實現(xiàn)不同運行工況下的風(fēng)量調(diào)節(jié)?？刂七壿媹D如下圖所示。

實踐證明：系統(tǒng)在設(shè)計了兩套控制方案后大大提高了系統(tǒng)的實用性和可操作性，很好的滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)要求。同時，在改善現(xiàn)場工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低噸鋼能耗方面起到了積極作用。

4.英威騰CHH系列高壓變頻器技術(shù)特點

深圳市英威騰電氣股份有限公司，提供的CHH100系列變頻器除了具有一般廠家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點。

1)具有較強的功能，能夠滿足不同工況

CHH100系列高壓變頻器采用DSP系統(tǒng)與可編程系統(tǒng)巧妙的結(jié)合，控制系統(tǒng)高度集成化，設(shè)備器件主要采用進口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個功能碼，可以對啟動特性、運行模式等功能根據(jù)現(xiàn)場工況進行不同設(shè)定。CHH100系列高壓變頻器具有標準的RS485接口，可以通過RS485通訊接口(采用標準通信協(xié)議)與DCS進行連接，也可以通過硬接線的方式與DCS系統(tǒng)進行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統(tǒng)很方便的對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行監(jiān)控。也可以進行不同參數(shù)設(shè)置，滿足現(xiàn)場其它各種不同工況。

2)全面的保護功能

CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護;主控系統(tǒng)采用DSP+PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、過載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據(jù)現(xiàn)場不同的工況進行參數(shù)設(shè)定。內(nèi)置雷擊過流保護裝置，有效提高設(shè)備保護功能和系統(tǒng)保護功能，完全能夠保證電源及電機的安全運行。

3)全面的參數(shù)記錄

CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數(shù)過過程變量，包括每個模塊的溫度、母線電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過通訊上傳至DCS系統(tǒng)，異常時對變頻器的狀態(tài)都有全面的記錄，以便現(xiàn)場人員更準確、更快捷地解決問題。

4)最大的電壓、電流冗余量設(shè)計

深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長為首要設(shè)計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯(lián)，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設(shè)計冗余量較高。

5)電機轉(zhuǎn)速自動跟蹤功能

CHH100系列高壓變頻器在主電源母線切換(10秒內(nèi))過程中，變頻器能夠自動跟蹤電機的轉(zhuǎn)速，當主電源恢復(fù)后變頻器自動運行起來，保證了機組安全可靠運行。

6)功率模塊自動旁路技術(shù)

模塊自動旁路技術(shù)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊自動旁路技術(shù)，可在1ms內(nèi)旁路故障模塊，變頻器降額并可長期運行，等適當時候停機處理。

7)良好的電壓波動適應(yīng)能力

CHH100系列高壓變頻器對電網(wǎng)電壓在±15%范圍內(nèi)波動，變頻器能滿載輸出;電網(wǎng)電壓短時(30秒)下降至額定電壓的65%時，可繼續(xù)降額運行，不進行保護。

8)最有效的電磁干擾解決方案

深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器在模塊設(shè)計上，獨家采用后進線、前出線設(shè)計方案;結(jié)構(gòu)方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，最有效保證變頻器的可靠運行。

9)合理的散熱系統(tǒng)

功率采用獨立的散熱風(fēng)道，系統(tǒng)集中散熱的方式，散熱性能良好，滿載長時間運行溫升不超過25℃，良好的散熱系統(tǒng)可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長變頻裝置內(nèi)部的器件使用壽命。

10)模塊化設(shè)計

CHH100系列變頻器，遵循模塊化設(shè)計理念，功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個相同的功率單元的結(jié)構(gòu)、配置完全相同，可以非常方便的互換，從而利于生產(chǎn)的標準化，以及維修的標準化。

11)最簡潔操作、最快捷維護

深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器具有人性化的接口設(shè)計、界面簡潔清晰;操作方便，采用抽屜式模塊設(shè)計，更換模塊僅需5分鐘;濾網(wǎng)更換方便、快捷。

5、節(jié)能分析

為了對除塵系統(tǒng)變頻改造后的效果進行評價，在系統(tǒng)投入正常運行一個月后對設(shè)備實際使用和節(jié)電情況進行了測定和數(shù)據(jù)分析。

隨機抽取2個正常生產(chǎn)日，將系統(tǒng)切換至工頻運行系統(tǒng)采用擋板控制調(diào)節(jié)風(fēng)量。采用網(wǎng)側(cè)有功電度表進行耗電量計量。然后，連續(xù)采集變頻運行的2個正常生產(chǎn)日用電量進行變頻運行工況下的單耗計算，以期變頻運行的數(shù)據(jù)更接近真實運行工況，具體數(shù)據(jù)采樣值見下表。

通過對上表原始數(shù)據(jù)的處理，可以得出：除塵系統(tǒng)在變頻改造后較改造前，噸鋼除塵電耗降低了12.65kW·h。設(shè)備節(jié)電率高達42.648%，節(jié)能效果顯著。

工頻運行時記錄曲線

變頻運行時記錄曲線

截取工頻運行時煉一爐鋼除塵風(fēng)機電流運行記錄曲線和變頻運行時煉一爐鋼的網(wǎng)側(cè)電流記錄曲線比較，可以直觀的看出風(fēng)機電流降低明顯，設(shè)備運行工況更符合實際生產(chǎn)工藝需要。

6.結(jié)束語

可見，投入一臺深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器后，該設(shè)備全年節(jié)約電費均可達300萬元左右。另外，由于深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器功率因數(shù)可達0.95以上，大于電機功率因數(shù)0.89，減少大量無功。并且實現(xiàn)電機軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機絕緣的影響，減少電機維護量，節(jié)約檢修維護費用，同時電機壽命大幅度延長。減輕了運行人員的勞動強度，深受運行人員和維修人員的歡迎。除塵風(fēng)機經(jīng)變頻器改造后，節(jié)能效果顯著，達到設(shè)計要求，該系列變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業(yè)應(yīng)用的證實。

參考文獻：

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[2] 交流電動機變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)指南 (國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會節(jié)能信息傳播中心編).

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