高压变频器在杭钢混铁炉除尘风机上的应用
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【摘要】本文结合混铁炉转炉除尘风机的生产工艺，综述了高压变频器的性能特点及系统原理，同时详细说明了整体施工方案，从而证实了变频器在杭钢有着很大的节电效果。
【关键词】混铁炉 高压变频器 交钥匙工程 节能降耗
一、 引言
杭州钢铁集团转炉炼钢厂设置两座600T混铁炉，且有一个倾翻工位和一个大包倒小包工位。每座混铁炉设有一个进铁口和一个出铁口，倾翻工位相当于混铁炉进铁口。当混铁炉进铁或出铁时，高温的铁水会同空气发生剧烈的化学反应，产生大量的烟气。一方面对现场操作的工人不利，另一方面也对环境造成了巨大的污染。混铁炉多种进出铁工况条件下风量随时变化，因此该除尘风机需要多种速度来适应。在以前的运行过程中，由于一方面液力耦合器不能适应频繁的调速，另一方面原设计现场阀门信号与风机调速控制分属两个控制系统，两者之间没有信号联系。因此原有除尘风机运行方式基本为恒速运行，其运行转速保持在约680rpm左右，运行电流约在150A，仅通过现场阀门及炉盖开启来达到除尘效果，同时为防止阀门全部关闭造成风机振动过大，其中一台大包倒小包阀门始终打开，大量风量直接排空，导致大量有功功率浪费。此外液力耦合器低速运行时效率低下，为了提高风机的运行效率，节能降耗，必须对风机调速控制进行改进。
近几年随着国内高压变频器技术的进步，变频器的性价比和稳定性有很大幅度的提升，经过考察，我厂最终选择了北京利德华福电气技术有限公司的Harsvert-A系列高压变频器对风机进行调速控制。该项目采用节能还款合同形式，由杭州亚泰投资公司投资，整体项目为交钥匙工程，于2006年12月份安装调试完毕投入运行，至今已稳定运行近四个月，给我厂带来了巨大的效益。
二、混铁炉除尘工艺工况及主电机参数介绍
1、混铁炉除尘风机工况：
混铁炉系统除尘设计风量：66万立方米/小时
风道漏风损耗率设计： 10％
进铁水（或大包倒小包）除尘需要风量：25万立方米/小时
出铁水除尘需要风量： 6万立方米/小时
进铁水除尘需要时间： 约10分钟/次
出铁水除尘需要时间： 约3分钟/次
日出铁水总次数： 约180次
日进铁水总次数： 约120次
进铁时，当捕集罩关到位后，相应的阀门打开。出铁时，混铁炉离开零位后，相应的出铁口阀门打开。
2、混铁炉除尘风机主电机的技术参数如下：
电机型号：Y710－8
额定功率：1600kW
额定电压：6300V
额定电流：183.2A
功率因数：0.84
3、工艺要求：
现场提供具体工作情况分为以下6种工作情况：
1）：一个进铁口工作需要25万m3/h；
2）：一个出铁口工作需要6万m3/h；
3）：两个出铁口同时打开需要风量12万m3/h ；
4）：一个进铁口一个出铁口同时打开需要风量31万m3/h；
5）：一个进铁口两个出铁口同时打开需要风量37万m3/h；
6）：两个进铁口同时打开需要风量50万m3/h。
三、高压变频调速系统改造方案：
1、HARSVERT-A高压变频器的原理
采用高-高电压源型，单元串联多电平技术。电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，1600kW/6kV高压变频器每相由5个功率单元串联而成，输出相电压最高可达3500V，线电压达6kV左右。每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/5相电压和1/15的输出功率，为单相输出的交直交PWM电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。
每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为5个不同的相位组，互差12度电角度，形成30脉冲的整流电路结构。
2、本项目共配置1台高压变频器，其详细参数如下：
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变频器型号 |
HARSVERT-A06/200 |
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适配电机功率 |
1600kW/6.3kV |
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额定输出电流 |
200A |
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输入功率因数 |
0.95(带负载20%以上) |
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变频器效率 |
额定负载下＞0.96 |
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输出频率范围 |
0.5 Hz到50 Hz |
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输出频率分辨率 |
0.01 Hz |
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过载能力 |
120﹪1min，150﹪1min |
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模拟量输入 |
1～10V/4～20mA，任意设定 |
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模拟量输出 |
1～10V/4～20mA，可选 |
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加、减速时间 |
0.1～3000s |
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控制开关量输入/输出 |
4路输出/4路输入 |
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冷却方式 |
风冷 |
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柜体防护等级 |
IP31 |
由于风机进风口没有风门，因此这次改造没有安装工频旁路柜。
即用户电网直接接高压变频器，然后接电机。
4、根据混铁炉的工艺要求，我们在满足除尘环保要求的前提下，为简化控制逻辑，现场PLC直接根据出铁口、进铁口的炉盖位置开关状态来控制变频器的转速，变频器预设3个速度点，根据现场所需风量不同自动调节电机转速。
现场送6个开关量信号进PLC，在程序内编程以达到变频器高、中、低速运行。
| 状态 | 转速 | 1号炉进铁风口 | 1号炉出铁风口 | 2号炉进铁风口 | 2号炉出铁风口 | 1号炉大包到小包 | 2号炉大 包到小包 |
备注 |
| 低速 | 300 rpm | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 无设备工作 |
| 中速 | 520 rpm | 0 | 1 | 0 | —— | 0 | 0 | |
| 0 | —— | 0 | 1 | 0 | 0 | |||
| 高速 | 680 rpm | 1 | —— | —— | —— | —— | —— | |
| —— | —— | 1 | —— | —— | —— | |||
| —— | —— | —— | —— | 1 | —— | |||
| —— | —— | —— | —— | —— | 1 |
1：风口打开
——：任意状态
5、加装变频器后，由于变频器自身带有电机的过流保护、过载保护、缺相保护、过电压保护、接地保护、短路保护、超频保护、反相保护等，变频运行时上口高压柜保护为备用保护，除变频器输入侧采用移相变压器外（其励磁涌流为额定电流的6-8倍），对上口保护无其它特殊要求；因此高压开关柜继电保护只对变频器工频旁路时起主要保护，其整定值可按正常电机保护进行整定。旁路运行时如将进气口阀门全部关闭，启动过程启动电流应在电机额定电流的6-8倍左右，如果电网或上级变压器容量较大能承受此瞬间冲击，可以不外加任何启动设备进行直接工频启动，如果不能承受则可考虑在变频器工频旁路系统前方加装水阻或电抗器，以防工频启动时无法启动。本项目工频时采用直接启动方式。 四、交钥匙工程整体施工方案：
1、由于目前设备使用液力耦合器，考虑到风机运行的稳定性，因此拆除液力耦合器，将电机向前移位采用直接连接方式；对电机移位后与风机直联的磨擦片接手重新定制，重新制作钢底座作为电机基础，同时为确保设备投运后的安全，应确保的安装精度，保证电机与风机之间的同心度≦0.05mm。
2、高压变频器主设备安装在风机值班室内，原高压柜至电机的高压电缆用做改造时高压柜至变频器进线电缆，变频器至电机高压电缆重新敷设，同时敷设现场PLC柜至变频器控制柜3根屏蔽控制电缆用于变频器的远程启动、停车，采集现场阀门状态信号，实现变频器三段速的自动调节及变频器信号的反馈。此外还需敷设一根高压柜至变频器的控制电缆，用于高压柜合闸允许和高压柜紧急分闸控制。
3、由于高压变频器的IGBT等功率元器件对环境温度要求比较高，同时本项目变频器功率较大，为了防止因温高而引起变频器的保护停机，我厂采用以下三种措施来防止室温过高：
（1）、柜顶加装排风管，使变频器自身产生的大部分热量通过排风系统释放到室外；
（2）、改装现有的窗户，进行双层玻璃保温；
（3）、加装一台10匹的工业风冷空调。
4、施工时间安排见下表
| 施工项目名称 | 内容 | 时间 |
| 土建 | 电缆沟的挖掘、高低压电缆的敷设、电缆桥架的安装、变频器设备的就位、排风管道安装 | 4天 |
| 机械 | 液偶的拆除、电机的移位与安装、变频器的安装 | 4天 |
| 电气试验 | 设备变压器、电缆头及旁路柜耐压试验。 | 1天 |
| 设备接线 | 设备自身接线及设备与PLC接线 | 2天 |
| 电气调试 | 系统的控制电试验 变频器自身高压上电试验 变频器的带电机及带风机试验 |
1天 1天 1天 |
| 合计 | 14天 |
最终，北京利德华福电气技术有限公司凭借优质、快捷的售后服务，顺利将设备投入运行，运转情况良好，整体工程一次性验收。
五、节能测算及投资分析：
1、上变频器前后的相关参数统计
| 上变频器前 | 上变频器后 | ||||
| 电机实际运行电流 | 150A | 进铁电机实际电流 | 110 A | 对应转速 | 667r/min |
| 电机实际功率因数 | 0.8 | 出铁电机实际电流 | 45 A | 对应转速 | 520 r/min |
| 进铁实际需要风量 | 60万m3/h | 没有进出铁电机 实际电流 |
4.4 A | 对应转速 | 300 r/min |
| 出铁实际需要风量 | 36万m3/h | 电机实际功率因数 | 0.95 | ||
| 实际转速 | 680r/min | ||||
2、工频用液偶调速状态下除尘风机的功耗计算
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工频下每年耗电量为1037万度，每年耗电费为518.5万元。
3、变频状态下除尘风机的功耗计算
（1）高速运行时，转速为667rpm
考虑到有可能两座炉同时进铁水需同时除尘，预计每天高速运行的时间约为12小时（包括变频器加速时间）。则
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考虑到至少有一个出铁状态，每天预计运行10小时。则
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在不除尘时，只要保证正常的工作环境和能够保证正常提速至除尘状态即可，每天预计运行2小时。则
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4、综上所述，除尘风机上高压变频器后较以前工频液力耦合器调速，每年可节约电量339.6万度，每年节约电费为169.8万元。
同时还产生了其他效果：
1） 限制启动电流，减少启动的峰值功率省耗；
2） 改善电网功率因数，变频器可使系统的功率因数保持在0.95%以上；
3） 消除了电机因启动、停止对机械的冲击，延长使用寿命，减少维修；
4） 可使电动机与风机直接相连接，减少传动环节的费用；
5） 电机和风机运转速度下降，润滑条件改善，传动装置的故障下降；
5、投资分析：
我厂通过高压变频节能改造，预计该项目的总投资回报期约在16个月左右，总投资内容包括设备成本、配件成本、运输成本、工程设计成本、工程安装成本、效果检测成本、资金融资成本、设备维护成本及风险成本。
六、结束语：
综合看来,本套高压变频调速系统的投入，对提高杭钢集团动力公司电能的使用效率，降低公司的生产成本，保证混铁炉除尘风机的安全运行以及生产工作自动化程度的提高有着积极、重要的作用。可以说这是一个产品适用性强,投资回报快的高科技项目。
参考文献
[1].高压变频调速系统HARSVERT-A系列技术手册 北京利德华福电气技术有限公司
[2].高压变频器应用资料汇编－冶金行业 北京利德华福电气技术有限公司
作者简介
杭州钢铁集团 转炉电气工程师 卢芬兰
北京利德华福电气技术有限公司 技术工程部 晏鹍
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