高压变频器在转炉除尘风机系统改造中的应用

1 引言

　　电机是能源消耗大户之一。我国电机总装机容量已达4亿kw，年耗电量达6000亿kw·h，占工业耗电量的80%；低压电机数量是中高压电机的几十倍，但耗能仅为中高压电机的1/8，所以降低中高压电机的能源消耗意义重大，前景诱人。对于风机和泵类负载，如采用调速的方法改变其流量，节电率可达20%～60%。基于以上原因，各种类型的变频器因其在交流调速领域的广阔应用前景从问世以来一直是各方面关注的焦点。低压变频器的技术发展已相当成熟，在节约能源方面已取得了很大成效。现在，中高压变频器因其在节约能源方面的巨大潜力成为了各国研究的重点。

　　风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击大、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备的使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬时动作保护设备，时常出现泵损坏，同时电机也被烧毁的现象。采用变频调速器，易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点。

　　我国的能耗指数很高，其中工业消耗占64%，为了降低能源消耗，必须在工业生产中采取节能措施，而采用变频调速的方式可以很好的解决节约能源的需求。在这方面已经有很好的例子，辽河油田采用变频调速，安装了25台变频器1818.2kw，年节约电能602万kw·h，平均节电率在35%以上。

　　基于以上原因，我们厂决定对现有的转炉除尘风机系统进行改造，这也是节约能源，提高效益的需要。

2 转炉除尘风机系统的工艺介绍

　　转炉在吹炼铁水的过程中，炉口会排出大量棕红色的烟气，烟气温度高、含有易燃、有毒气体和金属颗粒，所以必须对烟气进行除尘处理，然后将气体送至煤气回收系统，对其中的可燃气体co进行回收再利用。除尘系统采用二级文氏管烟尘净化方式，这也是钢厂普遍采用的除尘工艺。

　　我们厂内共有2台60t转炉，2台转炉共同接一套风机除尘系统，除尘系统有1台6kv的电机带1台风机，电机的主要参数如附表所示。

　　由于转炉炼钢是周期性间断吹氧，这就要求除尘系统风机在整个炼钢工作周期内变速运行，吹氧时高速运行，不吹氧时低速运行。除尘风机系统改造前，我们采用液力耦合器对除尘风机进行调速，经过长时间的运行，发现液力偶合器技术存在明显的不足，主要表现在：调速范围不够宽，一般在额定转速的30%～90%之间，造成能源浪费；除尘风机高速运行时，液力偶合器有时失速，造成转炉炉口冒烟；液力耦合器需经常更换轴承进行检修，造成转炉停产，影响了生产效率的提高；使电机转速不稳定，电机损耗增大；调节精度低、线性度差，响应慢；启动电流仍比较大，干扰电网，影响电网稳定；漏油严重，对环境污染大，严重影响厂区环境。

　　液力耦合器调速的不足也迫切地要求我们对原来的除尘风机系统进行改造。

3 除尘风机系统的改造方案

　　3.1高压变频器调速方式的选择

　　高压变频器根据高压组成方式可分为高-高型和高-低-高型，根据有无中间直流环节，可分为交-交变频器和交-直-交变频器，在交-直-交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分电压源型和电流源型。下面将对目前使用较为广泛的几种高压变频器进行分析，指出各自的优缺点。

　　高-低-高型高压变频器，亦称间接高压变频器，它由输入、输出变压器和低压变频器组成。输入变压器为降压变压器，它将高压电源降至变频器所允许的电压，经低压变频器变频变压后，再经输出变压器即升压变压器升压后，供给高压电动机。高-低-高型高压变频器由于经历两次电压变换，增加了电能损耗，影响了节能效果，并且占地面积大，还产生了大量的高次谐波，具有较明显的缺陷。由于这种技术难度相对较少，投资相对较低，故适用于功率较小的高压电动机。

　　高-高型高压变频器采用若干个独立的低压功率单元串联的方式实现直接高压输出，高—高型高压变频器中的单元串联多电平pwm电压源型变频器具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步动机。单元串联多电平变频器的输出电压可以达到10kv，甚至更高。

　　电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。而且变频器的性能与电机的参数有关，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电机的绝缘有影响。

　　比较以上类型高压变频器，由于单元串联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，近几年来发展迅速，在我国得到广泛应用，尤其在风机水泵等节能领域，因此我们选择单元串联多电平电压源型变频器。

3.2 高压变频器品牌、型号的选择

　　除尘风机是除尘净化系统的动力中枢，一旦除尘风机不能正常运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失，还可能威胁到现场生产人员的人身安全，所以要求高压调速系统具有极高的可靠性。

　　国外多家公司已经推出成熟的高压变频产品，如德国西门子公司的simovertmv系列高压变频器，欧洲abb公司的acs1000高压变频器，美国ge公司的mv高压变频器，美国a-b公司的powerflex7000高压变频器，美国罗宾康公司的完美无谐波系列高压频器等。国内的高压变频器公司有北京利德华福、山东新风光、湖北三环、广州智光等。我们经过多方考察、比较，选用了北京利德华福的harsvert-a系列高压变频调速系统，高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器。

　　3.3 高压变频器的控制方案

　　我们厂的2台转炉已经上了一套煤气回收自动化系统，控制系统采用的是西门子公司的s7-400系统，由于新加的高压变频系统控制点数不多，我们决定将高压变频系统集成到煤气回收控制系统中，这样可以节省成本。

　　高压变频系统可以远程和本机控制。风机高速运行时，如果变频器出现严重故障，变频器自动停机。远程控制时，高压变频器按照plc控制器编好的程序自动运行，操作人员在主控室通过上位机监控画面监控；本机控制时，plc控制器不能自动控制高压变频器，操作人员必须在现场从高压变频柜上设定变频运行的频率和参数，手动启停变频器，变频器进行检修的时候必须打到本机控制。

　　转炉的吹炼具有明显的周期性，每台转炉一个完整的吹炼工艺周期约20min，我们设定了3个速度：高速45hz可调、中速38hz可调、低速10hz可调。高速在2台转炉同时吹炼时使用，中速在只有1台转炉吹炼时使用，非吹炼时间切换到低速。

　　变频器通过profibus现场总线网络和原有的煤气回收控制系统连接，无需另接高压变频器的控制电缆，plc控制器给变频器的指令以及变频器的返回信息直接通过网络传输，通信信号稳定、可靠。

4 节能效益分析

　　2台转炉除去检修时间和故障停产时间，按年运行320天计算，平均每天每台转炉出钢32炉，每炉的吹炼时间为20min，那么一年一台炉的吹炼时间为：20×32×320÷60≈3413h

　　2台转炉的吹炼时间按一台转炉的1.5倍计算（两台转炉有一起吹炼的情况）是：3413×1.5≈5120h

　　非吹炼时一年消耗的电量为：271×（320×24-5120）=693760kwh

　　改造后一年风机系统消耗的总电量约为：693760+6476800=7170560kw.h

　　改造后经过一段时间的运行，通过测算，采用高压变频器实现转炉风机调速后比改造前平均节电10%以上，也就是一年约节电70多万kw.h，折合电费35万元，经济效益相当可观。

　　此外，采用变频调速后，系统实现软启动，电机启动电流明显减小，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，同时减轻了起动机械转矩对电机机械的损伤，有效地延长了电机的使用寿命。由于高压变频器的高可靠性使得一次除尘系统故障率降低，工人的维护量明显减少，高压变频器维护比较容易，降低了工人劳动强度，而且还提高了煤气回收系统的煤气回收效率。

5 结束语

　　转炉除尘风机系统经过改造，投运后运行稳定，达到了改造前预定的目标，有效节约了能源，我们的良好的监控和可靠性措施提高了除尘风机系统的工作效率，杜绝了由于除尘风机系统故障出现的停炉事故，实践证明，该系统具有广阔的行业推广应用前景。