高压变频器在转炉烟气净化及煤气回收系统中的应用

昆明钢铁公司第二炼钢厂于70年代初建成投产，原设计为3座公称容量15t的转炉。2000年对转炉进行了扩容和氧枪改造。该厂现主要工艺设备有：3座容量为20t的转炉，1座600t混铁炉和1座300t混铁炉，3个吹氩（氮）站。连铸车间现有4台弧形方坯连铸机，其中2台连铸机外弧半径为5.25m，浇铸断面为120×120(mm)，2台连铸机年生产能力达40万t；另2台连铸机外弧半径为7m，浇铸断面为150×150(mm)，2台连铸机年生产能力达55～60万t。

2001年昆钢二炼钢全年共产钢90.6万t，连铸坯88.78万t。转炉平均出钢量为22t/炉，装入量为24t/炉。2002年二炼钢全年共产钢104.5万t。

昆钢2003年对转炉进行了再次扩容，扩容后转炉装入量达到30t/炉，年钢产量达到150万t。为实现150万t综合产能，除了对转炉扩容外，还必须提高转炉作业率和缩短冶炼周期，增加供氧强度，提高最大脱炭速度。

转炉烟气净化及煤气回收系统随转炉扩容改造同步进行，转炉最大脱碳速度为0.57%C/min，在煤气回收期最大炉气量为20000m3/h（标准状态），按燃烧系数10％计算，烟气净化系统烟气量为23176m3/h（标准状态）。3座转炉分别设置新的独立的烟气净化（装置）系统（又称转炉一次除尘系统），共用1套煤气回收（装置）系统。采用OG法湿式系统对烟气进行冷却净化并回收煤气。每套系统采用D1100煤气风机（66000 m3/h，24658Pa，2900r/min，效率95.5%）一台，配用的YB630S1-1电机装机功率为800kW（6000V，90.6A，2950r/min，功率因数0.89）。

风机调速方案的确定

转炉在冶炼时煤气风机高速运行，转速为2900r/min;在兑铁水和出钢过程中，为节约电能煤气风机低速运行，转速为800～1000r/min。

风机调速20多年来出现了多种方式，如液力耦合器、变频调速等，由于技术和经济两方面的原因多年来普遍采用液力耦合器。国产变频调速在几年前技术上不很成熟且无法提供高压大功率装置，若进口则一次性投资太高，而液力耦合器最大的优势是投资便宜。

高压交流变频调速技术是上世纪90年代发展起来的新型电力传动调速技术，特别是90年代后期国产变频器得到了迅猛发展。目前高压变频调速技术所需要的核心电力电子器件及控制技术，对于交—交高压变频器中的功率变换器件采用普通晶闸管TH，光控晶闸管LATT，门极可关断晶闸管GTO等；而对于交—直—交高压变频器的功率变换器件，则采用IGBT，MCT，GTO，集成发射式门极晶闸管IEGT，集成门极强驱动晶闸管IGCT，SGCT等。控制方式采用PWM控制，控制系统采用数字信号处理器加FPGA控制；继电保护采用PLC系统，高低电位隔离大部分采用光纤传输，也有采用电磁隔离的，人机界面采用PMU等液晶触摸操作屏。国产变频器技术已很先进，与进口产品相比在技术水平上无大的差距。

目前，若采用进口高压变频器，其投资约为2000～2500元/kW，比传统的液力耦合器贵10～12倍；而近年来国产高压大功率变频器技术已趋向成熟，价格约为800～1000元/kW，比传统的液力耦合器贵4～5倍。

高压变频调速技术是集电力电子、微电子、电力拖动、高压技术、高低压隔离和信号传输一体的高难技术，它的高压大容量化，实用化，省维护，高效，显著的节能效果等高性能技术指标，在各行业特别是电力行业得到了越来越广泛的应用。

本工程为节约一次投资，决定先在№1转炉的除尘系统中采用高压变频器（带有试用性质），其它№2、№3转炉采用液力耦合器调速方案，在系统投运一年后更换为变频器，要求在设计中充分考虑到今后更换高压变频器的可行性和尽可能的缩短更换时间，因此在设备基础设计中预留了更换为变频器时的电机基础二次浇灌孔和变频器的安装位置。

№2、№3转炉烟气净化及煤气回收系统采用的液力耦合器技术参数如下：

型号：YOTGC450防爆调速型；

输入转速：2900r/min；

传递功率范围：430～900kW；

额定滑差率：1.5～3%；

液力耦合器配电动执行器：DKJ（DKZ）型，输入信号：0～10mA，220V。

高压变频器的技术性能

煤气风机是转炉烟气净化及煤气回收系统的动力中枢，一旦煤气风机不能正常运行，将会影响生产，造成巨大的经济损失。

1 煤气风机变频调速装置应达到的要求

（1）要求变频器具有高可靠性，应基本上长期运行无故障。

（2）要求变频器有完善的旁路功能，一旦出现故障，可以先切换到单元旁路下运行，同时也可以使电机切换到工频运行。

（3）调速范围要大，效率要高。

（4）具有逻辑控制能力，可以在联锁状态下自动按照冶炼周期升降速。

（5）有共振点跳转功能，能使电机避开共振点运行，让风机不喘振。

本工程№1转炉烟气净化及煤气回收系统采用的高压变频器基本上可以满足以上要求。

2 高压变频器的技术性能参数

型号：DFCVERT-MV-1000/6B

（1）输入参数

额定电压：三相交流6.3kV±10％；

频率：50Hz；

输入侧电流畸变率：＜4%（30%负载以上）；

输入侧功率因数：＞0.96（20%负载以上）；

输出侧电流畸变率：＜3%；

效率：96％。

（2）输出参数

容量：1000kVA（适配电机功率800～850kW）；

额定输出电压：6kV；

额定输出频率：50Hz；

输出频率范围：0.1～50Hz；

频率分辨率：0.01Hz；

升降速时间：1～3000s可调；

电流波形：完全正弦；

（3）其他参数

防护等级：IP31；

环境温度：0～40℃；

环境湿度：90%,无凝结；

海拔高度： 1860m；

高低速逻辑控制功能（加减速时间均可按工艺要求设定）；

具有标准PID控制功能；

具备故障查询功能，与上位机联机后可以打印故障；

支持DCS、ProfiBus网络化运行；

支持远端操作显示；

输入输出保护：输入缺相、欠压、过压、过流；输出过流、缺相、不平衡等；

内部保护：过载、过热、通讯故障、单元自动旁路故障单元等。

3 高压变频器供电原理

高压变频器供电原理如图1所示。

图1 高压变频器供电原理图

图1原理图中，K1、K2、K3为变频器的旁通柜，K1、K2与K3互锁，对电机进行变频改造对原供电系统改动较小，可在较短时间内完成改造工作，K3的作用可使变频在有故障的情况下工频旁通。

4 液力耦合器与高压变频器的运行对比

№1转炉烟气净化及煤气回收系统的高压变频器于2003年8月开始安装，9月20日随改造后的№1转炉和烟气净化及煤气回收系统同步投产。采用液力耦合器的№2、№3转炉分别于10月和11月投运。在同一个风机房内有两种不同的调速装置在同时运行，为对比两种类型的调速装置运行效果创造了条件。№2、№3转炉的液力耦合器在投运几个月后相继出现故障，分别于2004年3月和4月换成了高压变频器。对液力耦合器和变频器的运行过程进行了考察和数据分析，其主要不同点如下：

（1）采用液力耦合器调速装置，在低速向高速运行过程中，延迟性较明显，不能快速响应，一般需120～180s才能达到由低速到高速的过程；同时这时候的电流较大，如整定不好会引起高压跳闸，影响系统稳定性。而高压变频器响应速度快，一般在1～3s由低速达到高速。在由高速到低速的过程，液力耦合器一般需要120～180s的时间；高压变频器一般需要90s左右的时间，否则，电机向电网馈电，高压系统迅速跳闸，CRT显示为高压故障。

（2）液力偶合器控制精度差，在设定调速转速后，转速在不停的跳动，基本上不能固定在设定数值上，这主要是液力耦合器的滑差和勺管受设备振动上下蹿动的结果。高压变频器可恒定在设定转速上，而不受设备振动影响。

（3）液力耦合器调速范围窄，通常在30％～97％之间；高压变频器可在5～100％之间。液力耦合器不能实现电机和风机同步转速，这是大家都知道的，而变频器可实现同步转速。

（4）电机启动时，采用液力耦合器时冲击电流较大，影响电网的稳定，而变频器没有此问题，可实现零电流到额定电流的平缓过渡。

（5）在风机高速运行时，液力耦合器有丢转现象（其它工程也出现过这种情况），影响烟尘捕集效果，相对的变频器运行稳定。

（6）液力耦合器在调速运行时产生机械损耗和转差损耗，效率较低，造成电能浪费，而变频器实现了风机和电机的直联运行不存在此问题。

（7）液力耦合器工作时是通过一勺管调整工作腔的充油量，从而改变传递扭矩和输出转速来满足工况要求。因此，对工作腔及供油系统需经常维护及检修。相对的液力耦合器经过一段时间使用后，其维护费用较高。变频器相对维护费用低。

（8）液力耦合器故障时，无法再用其它方式使其拖动的风机运行，必须停机检修。变频器故障时可旁路通过，不影响风机运行。

（9）采用液力耦合器时风机和电机的运行噪音大，达到90dB（A）左右，影响操作人员的身体健康。

5 液力耦合器与高压变频器运行的经济性分析

转炉改造后冶炼周期为23min，其中吹氧时间为10～12min，其它为13～11min。高速状态变频器为43Hz（2500r/min）；低速状态变频器为18Hz（1000r/min）。当煤气风机在额定转速下运行时，风机振动很大，叶轮检修周期缩短，影响钢产量，因此，生产厂决定将风机高速设定为2500r/min。

每一冶炼周期煤气风机高速运行状态平均所需时间为10min，低速状态平均所需时间为13min；按年工作8000h计算，则在一年里高速状态的时间约3480h，低速状态约4520h。采用变频器和液力耦合器当煤气风机运行在高速状态和低速状态时的电机输入电压和电流的实测值见附表。根据公式（1）可计算出采用高压变频器和液力耦合器在风机高、低速运行时电机的实耗功率也请如附表所示。

附表 风机高、低速运行时参数对比表

(1)

式中：P —电机实耗功率，kW；

I —输入电机的电流，A；

V —输入电机的电压，kV；

Cosφ—功率因数。

采用变频调速和采用液力耦合器调速与采用变频器调速装置运行的节能率是按公式（2）计算的。

(2)

式中： η —高压变频器节能率，％；

PE —采用高压变频器时电机实耗功率，kW；

PO —采用液力偶合器时电机实耗功率，kW。

从附表可看出，采用变频器调速，有良好的节能效果，每年可节约电能593840kW·h，按0.54元/kW·h计算，每年可节约电费32万元，设备费高出部分的投资约3年即可收回。

6 关于液力耦合器调速的思考

不改变异步电机同步转速no的交流调速系统称为有转差调速系统，液力耦合器调速系统就是典型的转差调速系统，该种调速系统有转差损耗ΔPs，调速后节约功率的标定值G(s)为：

(3)

式中： n —电机运行转速，r/min；

no —电机同步转速，r/min。

液力耦合器在有风机等负载转矩M时，ΔPs、(s)与转速的关系如图2所示。

图2 不同负载时ΔPs、G(s)与n/n0的关系曲线

由图2看出风机在额定转速的0.667时转差损耗最大，此时液力耦合器效率最低。因此，在工程工况设计和系统运行管理中应避免出现此种调速状态，一般情况应采用低速为0.3额定转速，高速为额定转速下运行，采用高压变频器低速可设为0.1额定转速。

7 高压变频器的优点

（1）高压变频器运行稳定，安全可靠。使用液力耦合器大约40天左右，就必须更换轴承，每次需停炉半天左右，带来很大的经济损失。变频器具有免维护的特点，在不停机状态下定期更换柜门上的通风滤网即可，保证了生产的连续性。

（2）节能效果较为显著，大大降低了吨钢能耗。

（3）电动机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，降低了电机的故障次数。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机会处于共振点运行的可能性，使风机工作平稳，风机轴承磨损减少，延长了电机和风机的使用寿命和维修周期，提高了设备的使用寿命。

（4）变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多，更灵敏，大大加强了对电机的保护。

（5）变频器同现场信号采用可靠的连接方式，控制方便，性能可靠，满足炼钢生产的需要。变频器内置有PLC，现场信号接入灵活。在控制逻辑上，由现场（转炉）为变频器提供一对高速、低速节点，变频器按照节点的状态自动高速、低速往复运行；由变频器自身的频率输出进行转速测定，可以取消原来同电机相连的测速器，由变频器为现场直接提供电机转速指示。

（6）设备适应电网电压波动能力强，有时电网电压高达6.9kV，或者电压低至5.5kV变频器仍能正常运行。

（7）同液力耦合器比较，在加速期间大大减小了噪声，削弱了噪声污染。由于不用定期拆换轴承或者对液力耦合器进行维修，避免了机油对环境的污染，使风机房的现场环境有了极大改善。

（8）由于电机降速运行以及工作在高效率区，因此电机和轴承的温升都明显低于采用液力耦合器的系统，可延长风机系统的使用寿命。

高压变频器有比较好的节能效益，具有高效率、高精度、宽调速范围的调速性能，完善的保护功能和自控功能，近年来在国内得到了广泛应用。

转炉炼钢厂需要配置调速的除尘系统比较多，如转炉烟气净化及煤气回收系统（一次除尘系统），转炉二次除尘系统，混铁炉、倒罐站除尘系统等等。目前国内采用高压变频器用于这些除尘系统调速的比较少，有认识上的问题，也有技术和经济方面的问题。采用高压变频器调速可使风机工作状态调整到准确的工艺要求工况，可以节电、节约冷却水、降低生产成本，为企业带来较大的经济效益。在转炉煤气回收上还可增加煤气回收量，降低吨钢能耗，提高能源利用率。

高压变频器在高速到低速的切换时间上需要进一步改进，重点解决向电网馈电问题，同时在防尘要求方面应降低苛刻要求，提高变频器的适应环境，解决变频器的散热问题，通风散热方式应进一步改善。