昆明鋼鐵公司第二煉鋼廠于70年代初建成投產(chǎn)，原設(shè)計(jì)為3座公稱容量15t的轉(zhuǎn)爐。2000年對(duì)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行了擴(kuò)容和氧槍改造。該廠現(xiàn)主要工藝設(shè)備有：3座容量為20t的轉(zhuǎn)爐，1座600t混鐵爐和1座300t混鐵爐，3個(gè)吹氬（氮）站。連鑄車間現(xiàn)有4臺(tái)弧形方坯連鑄機(jī)，其中2臺(tái)連鑄機(jī)外弧半徑為5.25m，澆鑄斷面為120×120（mm），2臺(tái)連鑄機(jī)年生產(chǎn)能力達(dá)40萬(wàn)t；另2臺(tái)連鑄機(jī)外弧半徑為7m，澆鑄斷面為150×150（mm），2臺(tái)連鑄機(jī)年生產(chǎn)能力達(dá)55～60萬(wàn)t。 2001年昆鋼二煉鋼全年共產(chǎn)鋼90.6萬(wàn)t，連鑄坯88.78萬(wàn)t。轉(zhuǎn)爐平均出鋼量為22t/爐，裝入量為24t/爐。2002年二煉鋼全年共產(chǎn)鋼104.5萬(wàn)t。 昆鋼2003年對(duì)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行了再次擴(kuò)容，擴(kuò)容后轉(zhuǎn)爐裝入量達(dá)到30t/爐，年鋼產(chǎn)量達(dá)到150萬(wàn)t。為實(shí)現(xiàn)150萬(wàn)t綜合產(chǎn)能，除了對(duì)轉(zhuǎn)爐擴(kuò)容外，還必須提高轉(zhuǎn)爐作業(yè)率和縮短冶煉周期，增加供氧強(qiáng)度，提高最大脫炭速度。 轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)爐擴(kuò)容改造同步進(jìn)行，轉(zhuǎn)爐最大脫碳速度為0.57%C/min，在煤氣回收期最大爐氣量為20000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），按燃燒系數(shù)10％計(jì)算，煙氣凈化系統(tǒng)煙氣量為23176m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。3座轉(zhuǎn)爐分別設(shè)置新的獨(dú)立的煙氣凈化（裝置）系統(tǒng)（又稱轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)），共用1套煤氣回收（裝置）系統(tǒng)。采用OG法濕式系統(tǒng)對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻凈化并回收煤氣。每套系統(tǒng)采用D1100煤氣風(fēng)機(jī)（66000 m3/h，24658Pa，2900r/min，效率95.5%）一臺(tái)，配用的YB630S1-1電機(jī)裝機(jī)功率為800kW（6000V，90.6A，2950r/min，功率因數(shù)0.89）。 風(fēng)機(jī)調(diào)速方案的確定 轉(zhuǎn)爐在冶煉時(shí)煤氣風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為2900r/min;在兌鐵水和出鋼過(guò)程中，為節(jié)約電能煤氣風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為800～1000r/min。 風(fēng)機(jī)調(diào)速20多年來(lái)出現(xiàn)了多種方式，如液力耦合器、變頻調(diào)速等，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的原因多年來(lái)普遍采用液力耦合器。國(guó)產(chǎn)變頻調(diào)速在幾年前技術(shù)上不很成熟且無(wú)法提供高壓大功率裝置，若進(jìn)口則一次性投資太高，而液力耦合器最大的優(yōu)勢(shì)是投資便宜。 高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的新型電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，特別是90年代后期國(guó)產(chǎn)變頻器得到了迅猛發(fā)展。目前高壓變頻調(diào)速技術(shù)所需要的核心電力電子器件及控制技術(shù)，對(duì)于交—交高壓變頻器中的功率變換器件采用普通晶閘管TH，光控晶閘管LATT，門極可關(guān)斷晶閘管GTO等；而對(duì)于交—直—交高壓變頻器的功率變換器件，則采用IGBT，MCT，GTO，集成發(fā)射式門極晶閘管IEGT，集成門極強(qiáng)驅(qū)動(dòng)晶閘管IGCT，SGCT等。控制方式采用PWM控制，控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器加FPGA控制；繼電保護(hù)采用PLC系統(tǒng)，高低電位隔離大部分采用光纖傳輸，也有采用電磁隔離的，人機(jī)界面采用PMU等液晶觸摸操作屏。國(guó)產(chǎn)變頻器技術(shù)已很先進(jìn)，與進(jìn)口產(chǎn)品相比在技術(shù)水平上無(wú)大的差距。 目前，若采用進(jìn)口高壓變頻器，其投資約為2000～2500元/kW，比傳統(tǒng)的液力耦合器貴10～12倍；而近年來(lái)國(guó)產(chǎn)高壓大功率變頻器技術(shù)已趨向成熟，價(jià)格約為800～1000元/kW，比傳統(tǒng)的液力耦合器貴4～5倍。 高壓變頻調(diào)速技術(shù)是集電力電子、微電子、電力拖動(dòng)、高壓技術(shù)、高低壓隔離和信號(hào)傳輸一體的高難技術(shù)，它的高壓大容量化，實(shí)用化，省維護(hù)，高效，顯著的節(jié)能效果等高性能技術(shù)指標(biāo)，在各行業(yè)特別是電力行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 本工程為節(jié)約一次投資，決定先在№1轉(zhuǎn)爐的除塵系統(tǒng)中采用高壓變頻器（帶有試用性質(zhì)），其它№2、№3轉(zhuǎn)爐采用液力耦合器調(diào)速方案，在系統(tǒng)投運(yùn)一年后更換為變頻器，要求在設(shè)計(jì)中充分考慮到今后更換高壓變頻器的可行性和盡可能的縮短更換時(shí)間，因此在設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中預(yù)留了更換為變頻器時(shí)的電機(jī)基礎(chǔ)二次澆灌孔和變頻器的安裝位置。 №2、№3轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)采用的液力耦合器技術(shù)參數(shù)如下： 型號(hào)：YOTGC450防爆調(diào)速型； 輸入轉(zhuǎn)速：2900r/min； 傳遞功率范圍：430～900kW； 額定滑差率：1.5～3%； 液力耦合器配電動(dòng)執(zhí)行器：DKJ（DKZ）型，輸入信號(hào)：0～10mA，220V。 高壓變頻器的技術(shù)性能 煤氣風(fēng)機(jī)是轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)的動(dòng)力中樞，一旦煤氣風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，將會(huì)影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 1 煤氣風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置應(yīng)達(dá)到的要求 （1）要求變頻器具有高可靠性，應(yīng)基本上長(zhǎng)期運(yùn)行無(wú)故障。 （2）要求變頻器有完善的旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可以先切換到單元旁路下運(yùn)行，同時(shí)也可以使電機(jī)切換到工頻運(yùn)行。 （3）調(diào)速范圍要大，效率要高。 （4）具有邏輯控制能力，可以在聯(lián)鎖狀態(tài)下自動(dòng)按照冶煉周期升降速。 （5）有共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)功能，能使電機(jī)避開共振點(diǎn)運(yùn)行，讓風(fēng)機(jī)不喘振。 本工程№1轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)采用的高壓變頻器基本上可以滿足以上要求。 2 高壓變頻器的技術(shù)性能參數(shù) 型號(hào)：DFCVERT-MV-1000/6B （1）輸入?yún)?shù) 額定電壓：三相交流6.3kV±10％； 頻率：50Hz； 輸入側(cè)電流畸變率：＜4%（30%負(fù)載以上）； 輸入側(cè)功率因數(shù)：＞0.96（20%負(fù)載以上）； 輸出側(cè)電流畸變率：＜3%； 效率：96％。 （2）輸出參數(shù) 容量：1000kVA（適配電機(jī)功率800～850kW）； 額定輸出電壓：6kV； 額定輸出頻率：50Hz； 輸出頻率范圍：0.1～50Hz； 頻率分辨率：0.01Hz； 升降速時(shí)間：1～3000s可調(diào)； 電流波形：完全正弦； （3）其他參數(shù) 防護(hù)等級(jí)：IP31； 環(huán)境溫度：0～40℃； 環(huán)境濕度：90%,無(wú)凝結(jié)； 海拔高度： 1860m； 高低速邏輯控制功能（加減速時(shí)間均可按工藝要求設(shè)定）； 具有標(biāo)準(zhǔn)PID控制功能； 具備故障查詢功能，與上位機(jī)聯(lián)機(jī)后可以打印故障； 支持DCS、ProfiBus網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行； 支持遠(yuǎn)端操作顯示； 輸入輸出保護(hù)：輸入缺相、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流；輸出過(guò)流、缺相、不平衡等； 內(nèi)部保護(hù)：過(guò)載、過(guò)熱、通訊故障、單元自動(dòng)旁路故障單元等。 3 高壓變頻器供電原理 高壓變頻器供電原理如圖1所示。 圖1 高壓變頻器供電原理圖 圖1原理圖中，K1、K2、K3為變頻器的旁通柜，K1、K2與K3互鎖，對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻改造對(duì)原供電系統(tǒng)改動(dòng)較小，可在較短時(shí)間內(nèi)完成改造工作，K3的作用可使變頻在有故障的情況下工頻旁通。 4 液力耦合器與高壓變頻器的運(yùn)行對(duì)比 №1轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)的高壓變頻器于2003年8月開始安裝，9月20日隨改造后的№1轉(zhuǎn)爐和煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)同步投產(chǎn)。采用液力耦合器的№2、№3轉(zhuǎn)爐分別于10月和11月投運(yùn)。在同一個(gè)風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)有兩種不同的調(diào)速裝置在同時(shí)運(yùn)行，為對(duì)比兩種類型的調(diào)速裝置運(yùn)行效果創(chuàng)造了條件?！?、№3轉(zhuǎn)爐的液力耦合器在投運(yùn)幾個(gè)月后相繼出現(xiàn)故障，分別于2004年3月和4月?lián)Q成了高壓變頻器。對(duì)液力耦合器和變頻器的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了考察和數(shù)據(jù)分析，其主要不同點(diǎn)如下： （1）采用液力耦合器調(diào)速裝置，在低速向高速運(yùn)行過(guò)程中，延遲性較明顯，不能快速響應(yīng)，一般需120～180s才能達(dá)到由低速到高速的過(guò)程；同時(shí)這時(shí)候的電流較大，如整定不好會(huì)引起高壓跳閘，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。而高壓變頻器響應(yīng)速度快，一般在1～3s由低速達(dá)到高速。在由高速到低速的過(guò)程，液力耦合器一般需要120～180s的時(shí)間；高壓變頻器一般需要90s左右的時(shí)間，否則，電機(jī)向電網(wǎng)饋電，高壓系統(tǒng)迅速跳閘，CRT顯示為高壓故障。 （2）液力偶合器控制精度差，在設(shè)定調(diào)速轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)速在不停的跳動(dòng)，基本上不能固定在設(shè)定數(shù)值上，這主要是液力耦合器的滑差和勺管受設(shè)備振動(dòng)上下躥動(dòng)的結(jié)果。高壓變頻器可恒定在設(shè)定轉(zhuǎn)速上，而不受設(shè)備振動(dòng)影響。 （3）液力耦合器調(diào)速范圍窄，通常在30％～97％之間；高壓變頻器可在5～100％之間。液力耦合器不能實(shí)現(xiàn)電機(jī)和風(fēng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速，這是大家都知道的，而變頻器可實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速。 （4）電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，采用液力耦合器時(shí)沖擊電流較大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定，而變頻器沒(méi)有此問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)零電流到額定電流的平緩過(guò)渡。 （5）在風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，液力耦合器有丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象（其它工程也出現(xiàn)過(guò)這種情況），影響煙塵捕集效果，相對(duì)的變頻器運(yùn)行穩(wěn)定。 （6）液力耦合器在調(diào)速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生機(jī)械損耗和轉(zhuǎn)差損耗，效率較低，造成電能浪費(fèi)，而變頻器實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)和電機(jī)的直聯(lián)運(yùn)行不存在此問(wèn)題。 （7）液力耦合器工作時(shí)是通過(guò)一勺管調(diào)整工作腔的充油量，從而改變傳遞扭矩和輸出轉(zhuǎn)速來(lái)滿足工況要求。因此，對(duì)工作腔及供油系統(tǒng)需經(jīng)常維護(hù)及檢修。相對(duì)的液力耦合器經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，其維護(hù)費(fèi)用較高。變頻器相對(duì)維護(hù)費(fèi)用低。 （8）液力耦合器故障時(shí)，無(wú)法再用其它方式使其拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行，必須停機(jī)檢修。變頻器故障時(shí)可旁路通過(guò)，不影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行。 （9）采用液力耦合器時(shí)風(fēng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行噪音大，達(dá)到90dB（A）左右，影響操作人員的身體健康。 5 液力耦合器與高壓變頻器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析 轉(zhuǎn)爐改造后冶煉周期為23min，其中吹氧時(shí)間為10～12min，其它為13～11min。高速狀態(tài)變頻器為43Hz（2500r/min）；低速狀態(tài)變頻器為18Hz（1000r/min）。當(dāng)煤氣風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)振動(dòng)很大，葉輪檢修周期縮短，影響鋼產(chǎn)量，因此，生產(chǎn)廠決定將風(fēng)機(jī)高速設(shè)定為2500r/min。 每一冶煉周期煤氣風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行狀態(tài)平均所需時(shí)間為10min，低速狀態(tài)平均所需時(shí)間為13min；按年工作8000h計(jì)算，則在一年里高速狀態(tài)的時(shí)間約3480h，低速狀態(tài)約4520h。采用變頻器和液力耦合器當(dāng)煤氣風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高速狀態(tài)和低速狀態(tài)時(shí)的電機(jī)輸入電壓和電流的實(shí)測(cè)值見附表。根據(jù)公式（1）可計(jì)算出采用高壓變頻器和液力耦合器在風(fēng)機(jī)高、低速運(yùn)行時(shí)電機(jī)的實(shí)耗功率也請(qǐng)如附表所示。 附表 風(fēng)機(jī)高、低速運(yùn)行時(shí)參數(shù)對(duì)比表 （1） 式中：P —電機(jī)實(shí)耗功率，kW； I —輸入電機(jī)的電流，A； V —輸入電機(jī)的電壓，kV； Cosφ—功率因數(shù)。 采用變頻調(diào)速和采用液力耦合器調(diào)速與采用變頻器調(diào)速裝置運(yùn)行的節(jié)能率是按公式（2）計(jì)算的。 （2） 式中： η —高壓變頻器節(jié)能率，％； PE —采用高壓變頻器時(shí)電機(jī)實(shí)耗功率，kW； PO —采用液力偶合器時(shí)電機(jī)實(shí)耗功率，kW。 從附表可看出，采用變頻器調(diào)速，有良好的節(jié)能效果，每年可節(jié)約電能593840kW·h，按0.54元/kW·h計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)32萬(wàn)元，設(shè)備費(fèi)高出部分的投資約3年即可收回。 6 關(guān)于液力耦合器調(diào)速的思考 不改變異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速no的交流調(diào)速系統(tǒng)稱為有轉(zhuǎn)差調(diào)速系統(tǒng)，液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)就是典型的轉(zhuǎn)差調(diào)速系統(tǒng)，該種調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)差損耗ΔPs，調(diào)速后節(jié)約功率的標(biāo)定值G（s）為： （3） 式中： n —電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，r/min； no —電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，r/min。 液力耦合器在有風(fēng)機(jī)等負(fù)載轉(zhuǎn)矩M時(shí)，ΔPs、（s）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖2所示。 圖2 不同負(fù)載時(shí)ΔPs、G（s）與n/n0的關(guān)系曲線 由圖2看出風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的0.667時(shí)轉(zhuǎn)差損耗最大，此時(shí)液力耦合器效率最低。因此，在工程工況設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行管理中應(yīng)避免出現(xiàn)此種調(diào)速狀態(tài)，一般情況應(yīng)采用低速為0.3額定轉(zhuǎn)速，高速為額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，采用高壓變頻器低速可設(shè)為0.1額定轉(zhuǎn)速。 7 高壓變頻器的優(yōu)點(diǎn) （1）高壓變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。使用液力耦合器大約40天左右，就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。變頻器具有免維護(hù)的特點(diǎn)，在不停機(jī)狀態(tài)下定期更換柜門上的通風(fēng)濾網(wǎng)即可，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。 （2）節(jié)能效果較為顯著，大大降低了噸鋼能耗。 （3）電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的軟啟動(dòng)、軟停運(yùn)，變頻器提供給電機(jī)的無(wú)諧波干擾的正弦波電流，降低了電機(jī)的故障次數(shù)。同時(shí)，變頻器設(shè)置共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風(fēng)機(jī)會(huì)處于共振點(diǎn)運(yùn)行的可能性，使風(fēng)機(jī)工作平穩(wěn)，風(fēng)機(jī)軸承磨損減少，延長(zhǎng)了電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命和維修周期，提高了設(shè)備的使用壽命。 （4）變頻器自身保護(hù)功能完善，同原來(lái)繼電保護(hù)比較，保護(hù)功能更多，更靈敏，大大加強(qiáng)了對(duì)電機(jī)的保護(hù)。 （5）變頻器同現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采用可靠的連接方式，控制方便，性能可靠，滿足煉鋼生產(chǎn)的需要。變頻器內(nèi)置有PLC，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接入靈活。在控制邏輯上，由現(xiàn)場(chǎng)（轉(zhuǎn)爐）為變頻器提供一對(duì)高速、低速節(jié)點(diǎn)，變頻器按照節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)自動(dòng)高速、低速往復(fù)運(yùn)行；由變頻器自身的頻率輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)定，可以取消原來(lái)同電機(jī)相連的測(cè)速器，由變頻器為現(xiàn)場(chǎng)直接提供電機(jī)轉(zhuǎn)速指示。 （6）設(shè)備適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，有時(shí)電網(wǎng)電壓高達(dá)6.9kV，或者電壓低至5.5kV變頻器仍能正常運(yùn)行。 （7）同液力耦合器比較，在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承或者對(duì)液力耦合器進(jìn)行維修，避免了機(jī)油對(duì)環(huán)境的污染，使風(fēng)機(jī)房的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有了極大改善。 （8）由于電機(jī)降速運(yùn)行以及工作在高效率區(qū)，因此電機(jī)和軸承的溫升都明顯低于采用液力耦合器的系統(tǒng)，可延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的使用壽命。 高壓變頻器有比較好的節(jié)能效益，具有高效率、高精度、寬調(diào)速范圍的調(diào)速性能，完善的保護(hù)功能和自控功能，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。 轉(zhuǎn)爐煉鋼廠需要配置調(diào)速的除塵系統(tǒng)比較多，如轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)（一次除塵系統(tǒng)），轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)，混鐵爐、倒罐站除塵系統(tǒng)等等。目前國(guó)內(nèi)采用高壓變頻器用于這些除塵系統(tǒng)調(diào)速的比較少，有認(rèn)識(shí)上的問(wèn)題，也有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題。采用高壓變頻器調(diào)速可使風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)調(diào)整到準(zhǔn)確的工藝要求工況，可以節(jié)電、節(jié)約冷卻水、降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。在轉(zhuǎn)爐煤氣回收上還可增加煤氣回收量，降低噸鋼能耗，提高能源利用率。 高壓變頻器在高速到低速的切換時(shí)間上需要進(jìn)一步改進(jìn)，重點(diǎn)解決向電網(wǎng)饋電問(wèn)題，同時(shí)在防塵要求方面應(yīng)降低苛刻要求，提高變頻器的適應(yīng)環(huán)境，解決變頻器的散熱問(wèn)題，通風(fēng)散熱方式應(yīng)進(jìn)一步改善。