高壓變頻器在煉鐵廠除塵系統(tǒng)中的應用

1、高壓變頻器在煉鐵廠除塵系統(tǒng)中的應用【摘要】通過采用高壓變頻器在除塵系統(tǒng)的技術(shù)改造，提高了電氣自動控制水平，達到節(jié)能降耗的目標。【關(guān)鍵詞】除塵系統(tǒng)高壓變頻節(jié)能Application of High-volatge Converter Used in the Dusting system for Iron and steel plantAbstract: The electrical control lever were improved and the mark ofenergy saving were reached by using high-volatge converter in the

2、 dusting systemKey words: Dusting System High-volatge Converter Energy saving在高爐煉鐵過程中，出鐵廠不可避免會產(chǎn)生大量煙氣、灰塵，也含有相當一部分的有害物質(zhì)，對這些煙氣、灰塵進行處理，為此煉鐵工藝設(shè)備中必不可少的一種設(shè)備就是除塵風機。通過除塵風機把產(chǎn)生的煙氣、灰塵吸入到除塵設(shè)備中進行處理，再排入大氣中。根據(jù)煉鐵工藝，每一個冶煉周期，在出鐵時煙氣、灰塵很大，出完鐵1020分鐘后，出鐵廠基本沒有煙氣、灰塵，因此除塵風機只有出鐵時電機、風機處于全負荷，其它時間除塵風機的電機可以處于低速運行狀態(tài)。南通寶鋼煉鐵廠除塵風機原系統(tǒng)

3、在風機啟動后電機按額定的轉(zhuǎn)速運行，在整個生產(chǎn)過程中都處于工頻狀態(tài)運行，其風機的風量是通過調(diào)節(jié)風門擋板的開度來控制的。為了達到節(jié)能降耗，我們對出鐵廠除塵風機進行變頻調(diào)速，采用高壓變頻技術(shù)對系統(tǒng)進行改造。1. 高壓節(jié)能設(shè)備選型煉鐵廠高爐除塵風機的電機型號 YKK560-6 800KW 10000V 54.7 A 993轉(zhuǎn)/分從產(chǎn)品技術(shù)的先進性、可靠性以及高性能價格比角度考慮,我們選用北京樂普四方公司的LPH-10-6-800高壓智能化節(jié)能設(shè)備，該設(shè)備采用西門子羅賓高的高壓變頻器，加上LPH-10-6-800控制主板及LP控制軟件，減少了電網(wǎng)的諧波污染，不存在因諧波引起的電機發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、共

4、模電壓等。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為了確保除塵風機的高壓系統(tǒng)可靠運行，在設(shè)計時采用了旁路技術(shù)，增加一旁路柜，將高壓變頻器、隔離開關(guān)安裝在柜中。詳細見下圖：旁路柜中有三個隔離開關(guān)K1、K2和K3，其中K2和K3為一個雙刀雙投的隔離開關(guān)。雙刀雙投隔離開關(guān)的特點是兩個方向只能合其一，實現(xiàn)機械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側(cè)而導致變頻器損壞。變頻運行：K1、K2閉合，K3斷開，由合閘斷路器DL為變頻器供電，再通過變頻器本地或遠程啟動電機變頻運行；工頻定速運行：K1、K2斷開，K3閉合，由合閘斷路器DL直接啟動電機定速運行；變頻器維護、修理：K1、K2斷開，變頻器與高壓電源完全隔離。LPH系列高壓節(jié)能設(shè)

5、備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一次回路圖旁路柜與上級高壓斷路器DL有聯(lián)鎖關(guān)系，旁路柜隔離開關(guān)未合到位時，不允許DL合閘，DL合閘時，絕對不允許操作隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。隔離開關(guān)與DL的聯(lián)鎖通過操作手柄上的電磁鎖實現(xiàn)，在DL合閘狀態(tài)下，操作手柄被鎖死。為了保護變頻器，在變頻器與斷路器DL之間還有電氣聯(lián)鎖，聯(lián)鎖信號有：合閘閉鎖、故障分閘。 3. 高壓變頻原理LPH系列高壓智能化節(jié)能設(shè)備采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出10kV，且因開關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無法完成直接串聯(lián)。LP牌高壓智能化節(jié)能設(shè)備采用功率單

6、元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。隔離變壓器為三相干式整流變壓器，風冷，有使用壽命長、免維護等優(yōu)點。變壓器原邊輸入可為任意電壓，Y接；副邊繞組數(shù)量依變頻器電壓等級及結(jié)構(gòu)而定， 10kV系列為27個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。為了最大限度抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以LP牌高壓智能化節(jié)能設(shè)備輸入電流的總諧波含量（THD）遠小于國家標準5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。三相輸出Y接，得到驅(qū)動電機

7、所需的可變頻三相高壓電源。3.1 二次回路及控制控制系統(tǒng)由控制器，IO板和人機界面組成。控制器由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。各部分之間的聯(lián)系如下圖LP牌高壓智能化節(jié)能設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示。人機界面為用戶提供友好的全中文操作界面，負責信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控而實現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡化控制。通過主控板和IO接口板通訊來的數(shù)據(jù)，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數(shù)，提供表計功能，并實現(xiàn)對電機的過載、過流告警和保護。通過RS232通訊口與主控板連接，通過RS485通訊口與IO接口板連接，實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。IO接口板用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作信號

8、和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現(xiàn)場應用的靈活性。LPH系列高壓智能化節(jié)能設(shè)備10KV系列控制系統(tǒng)圖LPH系列高壓智能化節(jié)能設(shè)備控制系統(tǒng)圖（10kV系列4. 節(jié)能分析及經(jīng)濟效益4. 1 節(jié)能分析除塵風機主要用于將高爐出鐵廠產(chǎn)生的煙氣、灰塵吸入布袋除塵處理，將灰塵過濾后，煙氣從煙囪中排放。該系統(tǒng)在設(shè)計時首先要滿足高爐在出鐵時最大負荷的需求及運行情況下電機和負載都是按照最大負荷的1.22.5倍來設(shè)計的，由于煉鐵出鐵廠除塵系統(tǒng)基本上額定轉(zhuǎn)速工頻運行,而高爐的整個煉鐵流程:煉鐵過程占整個流程的三分之二,出鐵過程占整個流程的三分之一,即只有出鐵時才需要風機滿負荷工作,在煉鐵時風機基本上處于輕載運行,這

9、樣大大的浪費了能源，對除塵風機及電機造成無謂的磨損。LP智能化節(jié)能設(shè)備通過對高爐出鐵口進行遠程控制，在出鐵廠加裝紅外線檢測儀，及時檢測出鐵口狀況，控制風機在出鐵時滿負荷運行，而不出鐵時控制風機保持在最經(jīng)濟狀態(tài)下運行，既能保持設(shè)備運行狀況良好，又能達到高效節(jié)能的目的。4. 2 風機節(jié)能原理即風門調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)的區(qū)別圖中曲線1為風機在恒速下壓力H和流量Q的特性曲線，曲線2是管網(wǎng)風阻特性（閥門開度為100%）。假設(shè)風機在設(shè)計時工作在A點的效率最高，輸出風量Q1為100%，此時的軸功率P1=Q1×H1，與面積AH10Q1成正比。根據(jù)工藝要求，當風量需從Q1減少到Q2（例如70%）時，如采用調(diào)

10、節(jié)閥門的方法，相當于增加了管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性曲線2變到曲線3，系統(tǒng)由原來的工況A點變到新的工況B點運行，由圖中可以看出，風壓反而增加了，軸功率P2與面積BH20Q2成正比，減少不多。如果采用變頻調(diào)速控制方式，將風機轉(zhuǎn)速由N1降到N2，根據(jù)風機的比例定律，可以畫出在轉(zhuǎn)速N2下壓力H和風量Q特性如曲線4所示，可見在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3將大幅度降低，功率P3（相等于面積CH30Q2）也隨著顯著著減少，節(jié)省的功率P2=HQ2與面積BH2H3C成正比，節(jié)能的效果是十分明顯的。由流體力學可知，風量Q與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風壓H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比，當風量減少

11、，風機轉(zhuǎn)速下降時，其功率下降很多。4. 3 液力耦合器調(diào)速與變頻調(diào)速的區(qū)別液力耦合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉(zhuǎn)速的，電動機通過液力耦合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力耦合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載，這樣，可以通過控制工作腔內(nèi)的油壓來控制輸出軸的力矩，達到控制負載的轉(zhuǎn)速的目地。因此液力耦合器也可以實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)速無級調(diào)節(jié)，在變頻器未應用以前，液力耦合器不失為一種較為理想的交流電機調(diào)速方式。液力耦合器從電動機輸出軸取得機械能，通過液力變速后送入負載，其效率不可能為1；變頻器從電網(wǎng)取的電能，通過逆變后送入電動

12、機其效率也不可能是1；在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變頻器的效率變化不大，變頻器在輸出低轉(zhuǎn)速下降時效率仍然較高，例如：100%轉(zhuǎn)速時效率97%，75%轉(zhuǎn)速時效率大于95%，20%轉(zhuǎn)速時效率大于90%；液力耦合器的效率基本上與轉(zhuǎn)速成正比，隨著輸出轉(zhuǎn)速的降低，效率基本上成正比下降。例如：100%轉(zhuǎn)速時效率95%，75%轉(zhuǎn)速時效率約72%，20%轉(zhuǎn)速時效率約19%。液力耦合器用于風機、泵類負載，由于其軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當轉(zhuǎn)速下降時，雖然液力耦合器效率與轉(zhuǎn)速成正比下降，但電動機綜合軸功率還是隨著轉(zhuǎn)速的下降成二次方比例下降，因此在變頻器取代液力耦合器調(diào)速時，計算節(jié)能時，電機軸功率與轉(zhuǎn)速的一次方成正比。

13、60;4. 4 變頻調(diào)速運行效果在交流調(diào)速中，交流電機的調(diào)速公式N=60f1(1-s)/p,而電機功率P=P(N/N) ³當電機頻率下降時，電機的轉(zhuǎn)速成比例減小，流量按（2）式比例減小，功率按（1）式大大降低，從而達到節(jié)能的目的。其減少的功耗P=P01-(N1/N0)³（1）式減少的流量Q=Q01-(N1/N0)（2）式其中N1為改變后的轉(zhuǎn)速，N0為電機原來的轉(zhuǎn)速，P0為原電機轉(zhuǎn)速下的電機消耗功率，Q0為原電機轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的流量。由上式可以看出流量的減少與轉(zhuǎn)速降低的一次方成正比，功耗的減小與轉(zhuǎn)速降低的三次方成正比,因此改變頻率，節(jié)能效果顯著。4. 5 從軟件方面分析；LPH

14、系列高壓智能化節(jié)能設(shè)備采用計算機模糊控制理論自主研發(fā)的LP控制軟件，該控制軟件能使變頻器、電機、負載（風機）三者在效率乘積最大化區(qū)域內(nèi)運行；還具有智能控制功能，根據(jù)系統(tǒng)運行變化情況，經(jīng)過科學預測計算，適時給出一個電機運行頻率，解決系統(tǒng)運行當中的滯后性及瞬變性問題，從而在滿足生產(chǎn)需求前提下，最大限度地減少電耗，比一般變頻器提高節(jié)能率10%左右，節(jié)能效果更佳。該控制軟件已獲得國家專利、并被國家四大部委確認為2005年國家級重點新產(chǎn)品，并被北京市節(jié)能中心確定為節(jié)能推廣產(chǎn)品。4. 6 效益分析安裝使用LP智能化節(jié)能設(shè)備的節(jié)能統(tǒng)計設(shè)備名稱設(shè)備功率(KW)安裝設(shè)備前每月耗電 (萬度)安裝設(shè)備后每月節(jié)能(萬

15、度)安裝設(shè)備前每月耗電費(萬元)安裝設(shè)備后每月節(jié)能費(萬元)高爐除塵風機80043.617.4423.989.59根據(jù)安裝LP節(jié)能設(shè)備使用后統(tǒng)計，每月可節(jié)約用電17.44萬度，節(jié)約電費9.59萬元，設(shè)備運行32個月即可收回全部投資。以上數(shù)據(jù)均為每天24小時，每月30天，電價按0.55元/KW.H計算。5. 系統(tǒng)調(diào)試中的問題及解決辦法5. 1 在高壓變頻器通電之前，對進線變壓器進行耐壓實驗，可分三次以上不同的時間進行，完成之后，才能對高壓變頻器通電進行調(diào)試。調(diào)試時的速度由變頻器直接輸出，從10%到100%的額定速度，分段進行速度給定，這期間注意高壓變頻器及電機等設(shè)備運行情況。當運行正常后，即可開始連接風機帶負荷運行，速度也是由10%到100%的額定速度給定分階段進行升、降速。在此階段必須調(diào)節(jié)好高壓變頻器的升、降速時間，不能過快，否則變頻器會報故障而停機，甚至會燒壞IGBT模塊。針對除塵風機情況，一般升速時間在70秒左右，降速時間在100秒左右，這樣即保證了生產(chǎn)工藝要求的快速升降速度，又保護了變頻器不會損壞。5. 2 變頻器的速度輸