高壓變頻器在煉鐵廠除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、高壓變頻器在煉鐵廠除塵系統(tǒng)中的應(yīng)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(dòng)控制水平，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)?！娟P(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(huì)產(chǎn)生大量煙氣、灰塵，也含有相當(dāng)一部分的有害物質(zhì)，對(duì)這些煙氣、灰塵進(jìn)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(fēng)機(jī)。通過除塵風(fēng)機(jī)把產(chǎn)生的煙氣、灰塵吸入到除塵設(shè)備中進(jìn)行處理，再排入大氣中。根據(jù)煉鐵工藝，每一個(gè)冶煉周期，在出鐵時(shí)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(fēng)機(jī)只有出鐵時(shí)電機(jī)、風(fēng)機(jī)處于全負(fù)荷，其它時(shí)間除塵風(fēng)機(jī)的電機(jī)可以處于低速運(yùn)行狀態(tài)。南通寶鋼煉鐵廠除塵風(fēng)機(jī)原系統(tǒng)

3、在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后電機(jī)按額定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在整個(gè)生產(chǎn)過程中都處于工頻狀態(tài)運(yùn)行，其風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板的開度來控制的。為了達(dá)到節(jié)能降耗，我們對(duì)出鐵廠除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，采用高壓變頻技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造。1. 高壓節(jié)能設(shè)備選型煉鐵廠高爐除塵風(fēng)機(jī)的電機(jī)型號(hào) YKK560-6 800KW 10000V 54.7 A 993轉(zhuǎn)/分從產(chǎn)品技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性以及高性能價(jià)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(jī)發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、共

4、模電壓等。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為了確保除塵風(fēng)機(jī)的高壓系統(tǒng)可靠運(yùn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)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(xì)見下圖：旁路柜中有三個(gè)隔離開關(guān)K1、K2和K3，其中K2和K3為一個(gè)雙刀雙投的隔離開關(guān)。雙刀雙投隔離開關(guān)的特點(diǎn)是兩個(gè)方向只能合其一，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dǎo)致變頻器損壞。變頻運(yùn)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(yuǎn)程啟動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行；工頻定速運(yùn)行：K1、K2斷開，K3閉合，由合閘斷路器DL直接啟動(dòng)電機(jī)定速運(yùn)行；變頻器維護(hù)、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(jí)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(shí)，不允許DL合閘，DL合閘時(shí)，絕對(duì)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(shí)現(xiàn)，在DL合閘狀態(tài)下，操作手柄被鎖死。為了保護(hù)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(hào)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(fēng)冷，有使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。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(jí)及結(jié)構(gòu)而定， 10kV系列為27個(gè)，延邊三角形接法，為每個(gè)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(gè)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(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)電機(jī)

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(jī)界面組成?？刂破饔扇龎K光纖板，一塊信號(hào)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(jī)界面為用戶提供友好的全中文操作界面，負(fù)責(zé)信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控而實(shí)現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。通過主控板和IO接口板通訊來的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電流、電壓、功率、運(yùn)行頻率等運(yùn)行參數(shù)，提供表計(jì)功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過載、過流告警和保護(hù)。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(shí)時(shí)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(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)

8、和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理，增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(jì)效益4. 1 節(jié)能分析除塵風(fēng)機(jī)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(jì)時(shí)首先要滿足高爐在出鐵時(shí)最大負(fù)荷的需求及運(yùn)行情況下電機(jī)和負(fù)載都是按照最大負(fù)荷的1.22.5倍來設(shè)計(jì)的，由于煉鐵出鐵廠除塵系統(tǒng)基本上額定轉(zhuǎn)速工頻運(yùn)行,而高爐的整個(gè)煉鐵流程:煉鐵過程占整個(gè)流程的三分之二,出鐵過程占整個(gè)流程的三分之一,即只有出鐵時(shí)才需要風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷工作,在煉鐵時(shí)風(fēng)機(jī)基本上處于輕載運(yùn)行,這

9、樣大大的浪費(fèi)了能源，對(duì)除塵風(fēng)機(jī)及電機(jī)造成無謂的磨損。LP智能化節(jié)能設(shè)備通過對(duì)高爐出鐵口進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在出鐵廠加裝紅外線檢測(cè)儀，及時(shí)檢測(cè)出鐵口狀況，控制風(fēng)機(jī)在出鐵時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行，而不出鐵時(shí)控制風(fēng)機(jī)保持在最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行，既能保持設(shè)備運(yùn)行狀況良好，又能達(dá)到高效節(jié)能的目的。4. 2 風(fēng)機(jī)節(jié)能原理即風(fēng)門調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)的區(qū)別圖中曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速下壓力H和流量Q的特性曲線，曲線2是管網(wǎng)風(fēng)阻特性（閥門開度為100%）。假設(shè)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)工作在A點(diǎn)的效率最高，輸出風(fēng)量Q1為100%，此時(shí)的軸功率P1=Q1×H1，與面積AH10Q1成正比。根據(jù)工藝要求，當(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2（例如70%）時(shí)，如采用調(diào)

10、節(jié)閥門的方法，相當(dāng)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(diǎn)變到新的工況B點(diǎn)運(yùn)行，由圖中可以看出，風(fēng)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由N1降到N2，根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，可以畫出在轉(zhuǎn)速N2下壓力H和風(fēng)量Q特性如曲線4所示，可見在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)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(xué)可知，風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)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(dāng)風(fēng)量減少

11、，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，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(dòng)量矩變化，來傳遞電動(dòng)機(jī)能量并改變輸出轉(zhuǎn)速的，電動(dòng)機(jī)通過液力耦合器的輸入軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪，對(duì)工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動(dòng)液力耦合器的從動(dòng)工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)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(dá)到控制負(fù)載的轉(zhuǎn)速的目地。因此液力耦合器也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)節(jié)，在變頻器未應(yīng)用以前，液力耦合器不失為一種較為理想的交流電機(jī)調(diào)速方式。液力耦合器從電動(dòng)機(jī)輸出軸取得機(jī)械能，通過液力變速后送入負(fù)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(dòng)

12、機(jī)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(shí)效率仍然較高，例如：100%轉(zhuǎn)速時(shí)效率97%，75%轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于95%，20%轉(zhuǎn)速時(shí)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(shí)效率95%，75%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約72%，20%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約19%。液力耦合器用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，由于其軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，雖然液力耦合器效率與轉(zhuǎn)速成正比下降，但電動(dòng)機(jī)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(shí)，計(jì)算節(jié)能時(shí)，電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的一次方成正比。

13、60;4. 4 變頻調(diào)速運(yùn)行效果在交流調(diào)速中，交流電機(jī)的調(diào)速公式N=60f1(1-s)/p,而電機(jī)功率P=P(N/N) ³當(dāng)電機(jī)頻率下降時(shí)，電機(jī)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(dá)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(jī)原來的轉(zhuǎn)速，P0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)消耗功率，Q0為原電機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)、負(fù)載（風(fēng)機(jī)）三者在效率乘積最大化區(qū)域內(nèi)運(yùn)行；還具有智能控制功能，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行變化情況，經(jīng)過科學(xué)預(yù)測(cè)計(jì)算，適時(shí)給出一個(gè)電機(jī)運(yùn)行頻率，解決系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)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(guó)家專利、并被國(guó)家四大部委確認(rèn)為2005年國(guó)家級(jí)重點(diǎn)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(jì)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(fèi)(萬元)安裝設(shè)備后每月節(jié)能費(fèi)(萬元)高爐除塵風(fēng)機(jī)80043.617.4423.989.59根據(jù)安裝LP節(jié)能設(shè)備使用后統(tǒng)計(jì)，每月可節(jié)約用電17.44萬度，節(jié)約電費(fèi)9.59萬元，設(shè)備運(yùn)行32個(gè)月即可收回全部投資。以上數(shù)據(jù)均為每天24小時(shí)，每月30天，電價(jià)按0.55元/KW.H計(jì)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(duì)進(jìn)線變壓器進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)，可分三次以上不同的時(shí)間進(jìn)行，完成之后，才能對(duì)高壓變頻器通電進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時(shí)的速度由變頻器直接輸出，從10%到100%的額定速度，分段進(jìn)行速度給定，這期間注意高壓變頻器及電機(jī)等設(shè)備運(yùn)行情況。當(dāng)運(yùn)行正常后，即可開始連接風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行，速度也是由10%到100%的額定速度給定分階段進(jìn)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(shí)間，不能過快，否則變頻器會(huì)報(bào)故障而停機(jī)，甚至?xí)龎腎GBT模塊。針對(duì)除塵風(fēng)機(jī)情況，一般升速時(shí)間在70秒左右，降速時(shí)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(hù)了變頻器不會(huì)損壞。5. 2 變頻器的速度輸