高壓變頻器在沙鋼集團(tuán)宏發(fā)煉鐵廠除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
The Application of High Voltage Inverter in Dust Blower of ShaGang Iron Company
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司 張文勇 徐益龍 郭培彬
沙鋼集團(tuán)宏發(fā)煉鐵廠 周和平
Zhang Wenyong Xu Yilong Guo Peibin Zhou Heping
摘要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓變頻器在沙鋼集團(tuán)鋼鐵廠除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用情況。應(yīng)用結(jié)果表明，采用國產(chǎn)高壓變頻器對鋼廠的除塵風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 除塵風(fēng)機(jī) 應(yīng)用
Abstract:The article introduces the application instances of FengGuang High voltage inverter in Dust Blower of ShaGang Iron Company.The application result indicates that, using the domestic high voltage inverter to carry on the velocity modulation energy conservation transformation to the steel plant dust blower equipment, has a higher economic and the social efficiency.
Key Words:High voltage inverter Dust Blower Application
1引言
沙鋼集團(tuán)是目前大的電爐鋼和優(yōu)特鋼生產(chǎn)基地、江蘇省重點(diǎn)企業(yè)集團(tuán)、國家特大型工業(yè)企業(yè)，全國zui大的民營鋼鐵企業(yè)?，F(xiàn)擁有總資產(chǎn)1000多億元，職工26700余名，主要工藝裝備均達(dá)*水平，形成了年產(chǎn)鐵2230萬噸、鋼2720萬噸、材2390萬噸，其中不銹鋼板100萬噸的生產(chǎn)能力。
圖1 沙鋼集團(tuán)廠區(qū)
為了降低對周邊環(huán)境的污染，沙鋼瞄準(zhǔn)*進(jìn)水平，大力推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，先后淘汰了兩座5噸小電爐和6條小軋鋼生產(chǎn)線，同時(shí)，引進(jìn)*環(huán)保治理工藝技術(shù)和裝備，加大環(huán)保技改投入。近幾年來，共投資兩億多元用于增添和更新改造各類環(huán)保設(shè)施。在電爐煉鋼方面，采用布袋低壓脈沖除塵技術(shù)、噴霧除塵技術(shù)、變頻調(diào)速控制除塵風(fēng)機(jī)技術(shù)。
該煉鋼廠原有15t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐4座，轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，爐口會(huì)排出大量棕紅色的煙氣，煙氣溫度高，含有易燃?xì)怏w和金屬顆粒，按照我國1996年頒布的《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16297一1996），對煙氣必須冷卻、凈化，由引風(fēng)機(jī)將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統(tǒng)中備用。因此，每座轉(zhuǎn)爐需配有一套除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)采用二級文氏管煙塵凈化方式，風(fēng)機(jī)型號AI850，電機(jī)功率1800KW/10KV。由于轉(zhuǎn)爐周期性間斷吹氧，為滿足節(jié)能和環(huán)保要求,要求風(fēng)機(jī)在整個(gè)煉鋼工作周期內(nèi)變速運(yùn)行，吹氧時(shí)高速運(yùn)行，不吹氧時(shí)低速運(yùn)行。2002年，煉鋼廠對其中2#和3#轉(zhuǎn)爐進(jìn)行擴(kuò)容改造，將風(fēng)機(jī)移至地面，采用液力偶合器調(diào)速，高速2700r/min（設(shè)計(jì)2900r/min），低速1200r/min。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)液力偶合器技術(shù)存在著局限性，主要表現(xiàn)在：
1）電動(dòng)機(jī)的效率低，損耗大，尤其低速運(yùn)行時(shí)，效率極低；
2）調(diào)節(jié)精度低、線性度差，響應(yīng)慢；
3）啟動(dòng)電流仍比較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；
4）液力偶合器故障時(shí)，無法切換至工頻旁路運(yùn)行，必須停機(jī)檢修；
5）漏油嚴(yán)重，對環(huán)境污染大，地面被油污蝕嚴(yán)重。
鑒于液力偶合器存在上述眾多問題，因此在2008年9月，煉鋼廠對2#和3#轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，改用高壓變頻器為轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。
2高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案
除塵風(fēng)機(jī)是除塵凈化系統(tǒng)的動(dòng)力中樞，一旦除塵風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(shí)轉(zhuǎn)爐又周期性間斷吹氧；所以，和除塵風(fēng)機(jī)配套的高壓調(diào)速系統(tǒng)，要求具有*的可靠性?；谝陨瞎ぷ魈攸c(diǎn)，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(yùn)行*。
2）要求變頻器有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機(jī)切換到工頻運(yùn)行。
3）調(diào)速范圍要大，效率要高。
4）有共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電機(jī)避開共振點(diǎn)運(yùn)行，讓風(fēng)機(jī)不喘震。
經(jīng)過多方調(diào)研、比較，zui后決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1800F型高壓變頻器，通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了2#和3#轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻改造方案，改造方案如下：
2.1 設(shè)備配置
圖2 一次主回路圖
QF：變頻器輸入側(cè)的高壓開關(guān)柜
KM1、KM2、KM3、KM4：高壓變頻器內(nèi)置真空接觸器
QS1、QS2：高壓變頻器內(nèi)高壓隔離開關(guān)
M：1800KW/10KV三相異步電動(dòng)機(jī)
變頻器配備了自動(dòng)旁路柜，通過KM3、KM4的控制，可自動(dòng)（或手動(dòng)）在變頻狀態(tài)和工頻狀態(tài)之間切換。變頻狀態(tài)下, KM3閉合，KM4斷開，變頻器控制電機(jī)；工頻狀態(tài)下，KM3斷開，KM4閉合，在切換至工頻帶動(dòng)電機(jī)。變頻器可以在重故障時(shí)自動(dòng)切換工頻運(yùn)行，這樣既保證了變頻器正常運(yùn)行，又避免了直接啟動(dòng)電機(jī)大電流對電網(wǎng)的沖擊，保證風(fēng)機(jī)連續(xù)不間斷供風(fēng)。并要求可以遠(yuǎn)程和本機(jī)控制。山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器調(diào)速有五種方式：就地旋鈕、觸摸屏、遠(yuǎn)程、上位機(jī)及多段速調(diào)節(jié)，方便用戶選擇。該鋼鐵廠采用多段速方式調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程控制時(shí)，自動(dòng)檢測轉(zhuǎn)爐位置，使變頻器在倒鐵水時(shí)高速運(yùn)行，其他時(shí)間低速運(yùn)行。
2.2 電機(jī)、風(fēng)機(jī)參數(shù)及變頻器技術(shù)指標(biāo)
1）電機(jī)參數(shù)
| 型號 | 額定功率 | 額定電壓 | 額定電流 | 額定功率因數(shù) |
| Y4004-2 | 1800KW | 10KV | 128A | 0.81 |
2）風(fēng)機(jī)參數(shù)
| 型號 | 進(jìn)氣容積流量 | 進(jìn)氣溫度 | 主軸轉(zhuǎn)數(shù) | 額定功率因數(shù) |
| AI850 | 850m3/min | 35℃ | 2975r/min | 0.79 |
3）JD-BP38系列變頻器技術(shù)指標(biāo)
輸入電壓： 三相交流有效值10KV±10%
輸入頻率： 50±5Hz
輸出電壓： 三相正弦波電壓0-10KV
輸出頻率： 0-50Hz
頻率分辨率： 0.01Hz
加速時(shí)間： 可按工藝要求設(shè)定
減速時(shí)問： 可按工藝要求設(shè)定
頻率設(shè)定方式： 高低兩級速度，可在0-50Hz范圍內(nèi)調(diào)整
故障診斷及檢測：自動(dòng)檢測，自動(dòng)定位
網(wǎng)側(cè)功率因素： 0.95（高速時(shí)）
過載保護(hù)： 150%（每10分鐘允許l分鐘）、180%立即保護(hù)
防護(hù)等級： IP21
環(huán)境濕度： 90%,無凝結(jié)
3 JD-BP38系列高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)
3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖3所示，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10KV系列有30個(gè)功率單元，每10個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，圖3中給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例。
圖3 高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.2功率單元電路
圖4 功率單元主電路圖
每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上*一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路，圖中通過逆變塊IGBT反并聯(lián)的二極管構(gòu)成三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓， 通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實(shí)現(xiàn)雙向逆變。
功率單元輸出波形：
圖5 單個(gè)功率單元輸出波形
3.3輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，每個(gè)功率單元都承受電機(jī)電流、1/10的相電壓、1/30的輸出功率。30個(gè)單元在變壓器上都有自己獨(dú)立的三相輸入繞組。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，目的是實(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。
本機(jī)中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實(shí)測輸入電流總諧波成分小于3%,低于國家標(biāo)準(zhǔn)。
3.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)
圖6 10個(gè)單元輸出波形疊加圖
輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過對每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖6所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
3.5控制器
控制器核心由高速32位數(shù)字信號處理器（DSP）運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到*的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
數(shù)字信號處理器（DSP）相對于模擬信號處理有很大的*性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲(chǔ)等方面。傳統(tǒng)的模擬信號處理技術(shù)正由全新的數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）所代替。DSP是面向高速重復(fù)性數(shù)值運(yùn)算密集型的實(shí)時(shí)處理。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無間斷的完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸入與輸出。DSP結(jié)構(gòu)相對單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時(shí)間的可預(yù)測性要比結(jié)構(gòu)和指令復(fù)雜、依賴于編譯系統(tǒng)的普通微處理器強(qiáng)的多。它可以單周期完成這些乘加并行操作，而普通微處理器需要至少4個(gè)指令周期，因此在相同的指令周期和片內(nèi)指令緩沖條件下，是普通微處理器運(yùn)算速度的4倍以上。
另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分*可靠隔離，系統(tǒng)具有*的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
3.6 控制電源
控制器有一套獨(dú)立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設(shè)備各點(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似，給整機(jī)可靠性、調(diào)試、培訓(xùn)帶來了很大方便。
系統(tǒng)采用三次諧波補(bǔ)償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號預(yù)畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1。系統(tǒng)還采用了*的載波移相技術(shù)，它的特點(diǎn)是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。
4 設(shè)備運(yùn)行情況及其他效益
08年9月份，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1800F變頻器應(yīng)用于2#和3#電轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改造。由于我廠的每臺(tái)高壓變頻器在出廠前均經(jīng)過實(shí)際風(fēng)機(jī)負(fù)載滿載的整機(jī)出廠檢驗(yàn)和調(diào)試，在現(xiàn)場的調(diào)試又可以在沒有高壓輸入的情況下調(diào)試，因此在經(jīng)過約一周的施工、安裝和調(diào)試后，上電試驗(yàn)和試運(yùn)行進(jìn)行順利，一次投運(yùn)成功，高壓變頻器一直持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。高速運(yùn)行時(shí)45Hz，低速運(yùn)行時(shí)20Hz。圖7為變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線圖。
圖7 變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線圖
運(yùn)行變頻器調(diào)速后，主要*性變現(xiàn)在：
1）運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。原來使用液力偶合器大概40天左右就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
2）節(jié)能*。
下表為生產(chǎn)工況基本相同的條件下，隨機(jī)抽取一天工頻與變頻各個(gè)方面的數(shù)據(jù)對比：
| 工況 | 入口溫度 | 出口溫度 | 進(jìn)線電流 | 進(jìn)線有功 | 定子溫度 | 軸平均溫 | 節(jié)電率 |
| 工頻 | 10-30℃ | 30-65℃ | 120A | 1347KW | 90℃ | 60℃ | 37% |
| 變頻 | 10-30℃ | 30-65℃ | 7 | 849KW | 88℃ | 42℃ |
與原有的工頻驅(qū)動(dòng)方式相比，風(fēng)機(jī)效率穩(wěn)定在理想的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)能耗大大降低，節(jié)約電量可達(dá)37％，變頻改造后節(jié)能*。
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)長期在共振點(diǎn)運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)工作平穩(wěn)，風(fēng)機(jī)軸承磨損減少，延長了電機(jī)、風(fēng)機(jī)的使用壽命和維修周期，提高了風(fēng)機(jī)的利用效率。
4）變頻器自身保護(hù)功能完善，同原來繼電保護(hù)比較，保護(hù)功能更多，更靈敏，大大加強(qiáng)了對電機(jī)的保護(hù)。
5）變頻器同現(xiàn)場信號無縫接口，滿足生產(chǎn)的需要。變頻器內(nèi)置PLC，現(xiàn)場信號接入靈活。變頻器按照轉(zhuǎn)爐位置自動(dòng)高速、低速往復(fù)運(yùn)行。
6）適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)。
7）同液力偶合器比較，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，減少了機(jī)油對環(huán)境的污染，使風(fēng)機(jī)房的現(xiàn)場環(huán)境有了極大改善。
5 結(jié)束語
從現(xiàn)場運(yùn)行情況來看，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1800F高壓變頻器性能*，運(yùn)行可靠，有效地降低了生產(chǎn)成本。在國家大力建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的今天，通過有效的節(jié)能改造，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
作者簡介：
張文勇 男 工程師，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司。
周和平 男 工程師 供職于沙鋼集團(tuán)宏發(fā)煉鐵廠設(shè)備動(dòng)力部，長期從事鋼鐵廠電氣自動(dòng)化的研究工作。
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