【摘 要】：本文介紹了高壓變頻器在鋼鐵行業(yè)除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用情況，介紹了除塵風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的運(yùn)行工藝及變頻改造后的節(jié)能效果及工藝改善情況。
【關(guān)鍵詞】：高壓變頻器、變頻調(diào)速、節(jié)能、除塵風(fēng)機(jī)
1、概述
鋼廠的冶煉過程耗電較大，耗電在煉鋼成本中是不可忽視的一部分，河北某鋼鐵有限公司系中外合資企業(yè)，于1993年成立，1994年10月正式投產(chǎn)，總資產(chǎn)11億元。有中型軋鋼生產(chǎn)線四條(800#軋機(jī)生產(chǎn)線一條, 650#軋機(jī)生產(chǎn)線一條和500#軋機(jī)生產(chǎn)線兩條),年生產(chǎn)能力70萬噸。 公司堅(jiān)持面向未來，以可持續(xù)發(fā)展為主題，以實(shí)施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，構(gòu)筑新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工藝升級(jí)、產(chǎn)品更新，全面提高公司的運(yùn)營(yíng)水平與核心競(jìng)爭(zhēng)力，走新型工業(yè)化道路，打造行業(yè)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，加快用高新技術(shù)改造鋼鐵業(yè)的步伐，建設(shè)高科技的鋼鐵企業(yè)。公司響應(yīng)國(guó)家的節(jié)能減排的政策方針，配置有三套除塵系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，邀請(qǐng)我公司（深圳市英威騰電氣股份有限公司）技術(shù)人員到廠內(nèi)的對(duì)#3除塵系統(tǒng)的除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析，對(duì)節(jié)能方面做評(píng)估。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及實(shí)際工藝的要求，我公司技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行全面分析，有較大的節(jié)能空間。
2、設(shè)備參數(shù)及工藝要求
鋼廠整個(gè)系統(tǒng)共有3套除塵系統(tǒng)，#3除塵系統(tǒng)容量比較大，在生產(chǎn)過程中是主要的除塵設(shè)備，其電機(jī)及風(fēng)機(jī)的參數(shù)如下表所示：
正常情況下，該鍋爐每55分鐘為一個(gè)生產(chǎn)周期，生產(chǎn)過程的不同階段，電爐產(chǎn)生的煙氣量不同，因此需要調(diào)節(jié)除塵風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。按照正常的生產(chǎn)過程，為滿足生產(chǎn)工藝的要求，除塵系統(tǒng)的除塵量可以按如圖一所示調(diào)節(jié)。一個(gè)周期可分為4個(gè)階段：1、加料A～B，9分鐘；2、供電供氧高速C～D，15分鐘， 3、供電供氧中速E～F，25分鐘；4、出爐低速G～H，6分鐘。
除塵系統(tǒng)的監(jiān)控采用工控機(jī)控制，工控機(jī)與變頻器通過硬接線的方式連接。操作室內(nèi)的工控機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的啟動(dòng)、停機(jī)、復(fù)位和高壓分?jǐn)嗟瓤刂疲{(diào)節(jié)變頻器給定頻率，并實(shí)時(shí)監(jiān)視變頻器的運(yùn)行工況。變頻器輸出頻率和輸出電流，以4-20mA方式反饋到DCS系統(tǒng)。
3、設(shè)備選型及系統(tǒng)方案
我公司技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)及工藝要求，結(jié)合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程地應(yīng)用情況，我公司為其配置了一臺(tái)10KV/2500KW的CHH100系列的高壓變頻器，變頻器主要技術(shù)參數(shù)如下表
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行工藝要求，考慮到變頻器退出運(yùn)行后，為了不影響生產(chǎn)，確保除塵系統(tǒng)正常工作，我公司為系統(tǒng)配置工頻旁路，保留了以前的工頻啟動(dòng)的軟啟動(dòng)裝置，同時(shí)按照以往的保護(hù)定值進(jìn)行整定，當(dāng)變頻器出現(xiàn)異常時(shí)，將電機(jī)投切到工頻下運(yùn)行。整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的一次回路圖如下所示：：
圖二 變頻系統(tǒng)一次回路圖
變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關(guān)、軟啟動(dòng)器、手動(dòng)旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機(jī)組成。手動(dòng)旁路柜是由三個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2、QS3組成。電機(jī)以變頻方式運(yùn)行時(shí)， QS2、QS3閉合，QS1斷開；電機(jī)以工頻方式運(yùn)行時(shí)，QS1閉合， QS2、QS3斷開。手動(dòng)旁路柜嚴(yán)格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計(jì)，變頻輸出開關(guān)QS3和工頻開關(guān)QS1互鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運(yùn)行。
旁路柜與上級(jí)高壓開關(guān)QF連鎖，旁路柜隔離開關(guān)未合到位時(shí)，不允許高壓開關(guān)合閘，QF合閘時(shí)，絕對(duì)不允許操作高壓隔離開關(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。
CHH100系列高壓變頻器的接口比較靈活，有多種控制方式，有modbus通訊接口方式,也有硬接線控制方式，根據(jù)該工程的系統(tǒng)控制接口形式，選擇了硬接線的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。變頻器及現(xiàn)場(chǎng)的除塵風(fēng)機(jī)如下圖所示。
4、變頻器工作原理
CHH100系列高壓變頻器一體化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)屬于高—高結(jié)構(gòu)方式，變頻裝置逆變主電路拓?fù)洳捎脝卧?lián)多電平電壓源型變頻器，由變壓器柜、功率柜、控制柜、自動(dòng)旁路柜四個(gè)部分組成，通過將多個(gè)低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出，可以直接配套異步鼠籠電機(jī)。CHH100系列高壓大功率變頻器的原理結(jié)構(gòu)如圖三所示。電網(wǎng)送來的三相10KV交流電，經(jīng)移相變壓器，由其副邊每相的9個(gè)二次線圈電壓逐個(gè)移相6.5°，供電給9個(gè)功率單元，三相共27個(gè)功率單元，形成Y聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。變頻器控制部分采用DSP處理器對(duì)調(diào)制波形進(jìn)行空間向量的優(yōu)化處理，控制IGBT的通斷，即可在單元輸出兩點(diǎn)之間得到PWM波形，9個(gè)功率單元相疊加進(jìn)行波形合成，可輸出高壓正弦波給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因而形成近似正弦波大大降低了輸出諧波含量，不需輸出升壓變壓器和濾波裝置，可直接驅(qū)動(dòng)普通高壓電機(jī)，而不會(huì)增加電機(jī)升溫而降低電機(jī)容量。因此，無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對(duì)電機(jī)沒有特殊要求，可以使用普通異步電機(jī)，電機(jī)不必降額使用；具有軟啟動(dòng)功能，沒有電機(jī)啟動(dòng)沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可確保電機(jī)安全、長(zhǎng)期運(yùn)行在20-100%的帶載調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)的不加任何功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)那闆r下輸入端功率因數(shù)能達(dá)到0.95以上。輸入電流諧波畸變<4%,輸出電流諧波畸變<2%
圖三 CHH100系列變頻系統(tǒng)圖
5、變頻器功能特點(diǎn)
1） 變頻調(diào)速系統(tǒng)的啟停方式
啟動(dòng)方式：
（1) 直接啟動(dòng)；
（2) 先直流制動(dòng)再啟動(dòng)(對(duì)于風(fēng)機(jī)類可能由負(fù)載帶動(dòng)反轉(zhuǎn)場(chǎng)合，可以先通過直流制動(dòng)把電機(jī)剎住車再啟動(dòng)，從而避免啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊電流)；
（3) 轉(zhuǎn)速追蹤啟動(dòng)。變頻調(diào)速系統(tǒng)首先追蹤電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，然后在當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上直接啟動(dòng)。
停車方式：
（1) 減速停車(控制電機(jī)速度按照減速曲線減小，到零頻后停車)
（2) 自由停車(直接封脈沖，電機(jī)按照自己的慣性停車)
2） 頻率設(shè)定方式
（1) LED 鍵盤給定
（2) 通訊給定(觸摸屏采用這種方案)
（3) 模擬信號(hào)輸入給定
（4) 高速脈沖給定
（5) PID控制調(diào)節(jié)給定：通過PID給定與反饋的比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，在恒壓供水系統(tǒng)上應(yīng)用尤其方便。
（6) 多段速給定：變頻調(diào)速系統(tǒng)可以設(shè)置多個(gè)頻率段，以及加減速時(shí)間，由端子靈活的選擇在這些頻率段時(shí)間切換。
（7) 同時(shí)為了運(yùn)行頻率控制更加靈活，CHH系列變頻器支持兩個(gè)頻率源，實(shí)際運(yùn)行頻率可以取這兩個(gè)頻率源的任意一個(gè)，或者對(duì)兩個(gè)頻率源進(jìn)行和、差，以及最大值的組合。
（8) 用戶除了使用頻率源控制頻率以外，還可以通過up/down按鍵或者數(shù)字量端子靈活的對(duì)運(yùn)行頻率進(jìn)行增加、減小的微調(diào)。
3） 電壓自動(dòng)調(diào)解功能。
由于我方提供的高壓變頻器有一級(jí)功率模塊的富裕量，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)母線電壓的波動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出PWM信號(hào)的占空比，從而減輕電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)于輸出電壓波動(dòng)的影響。在母線電壓波動(dòng)情況和功率模塊旁路的情況可以自動(dòng)調(diào)解輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定。
4） V/F曲線選擇方式
有些負(fù)載(比如風(fēng)機(jī)、水泵)都不是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載(風(fēng)機(jī)水泵的轉(zhuǎn)矩與速度的二次方成正比)。為了適應(yīng)這種變轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性，CHH系列高壓調(diào)速系統(tǒng)提供了多點(diǎn)V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線可供選擇。并且在可以在V/F的啟動(dòng)低頻段進(jìn)行電壓提升，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的調(diào)速需求。
5） 可編程用戶端子
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)提供豐富的端子功能給用戶，這些端子都是可通過功能碼進(jìn)行設(shè)定，不需要更改系統(tǒng)的程序，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,從而保證系統(tǒng)有靈活的可擴(kuò)展性,完全能夠滿足DCS控制的要求。
6） 豐富的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能
系統(tǒng)參數(shù)：運(yùn)行頻率、給定頻率、母線電壓、輸出電壓、輸出電流、運(yùn)行速度、輸出轉(zhuǎn)矩、PID給定、PID反饋、端子狀態(tài)、摸擬量的值以及時(shí)間。
模塊參數(shù)：模塊電壓、模塊的溫度。
用戶可以通過功能碼選擇所需要顯示的監(jiān)控對(duì)象。也可以通過觸摸屏查看相關(guān)的參數(shù)，變頻器有異常時(shí)，不但可以查看故障類型及處理方式，還可以查看故障時(shí)的變頻器運(yùn)行狀態(tài)，便于快速排除故障。
7） 多段速控制功能
針對(duì)有頻繁變速要求系統(tǒng)，高壓調(diào)速系統(tǒng)可以提供多段速度調(diào)制模式。用戶可以通過端子靈活的選擇當(dāng)前的運(yùn)行速度段。
8） Modbus通訊功能
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)提供對(duì)外的modbus通訊接口。用戶可以使用自己的系統(tǒng)通過modbus協(xié)議對(duì)變頻器進(jìn)行控制，設(shè)置。
6、節(jié)能效果
變頻器3月2日安裝完畢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)要求，變頻器于4月14日調(diào)試完畢，于4月15日對(duì)除塵風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行方式和工頻方式進(jìn)行測(cè)試，4月15日除塵風(fēng)機(jī)以變頻方式投入運(yùn)行。在調(diào)試和試運(yùn)行期間，測(cè)試的幾個(gè)關(guān)鍵的運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：
按照以上的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)除塵風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行消耗的電能計(jì)算如下：
根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間，高速運(yùn)行15分鐘左右，中速運(yùn)行有25分鐘左右，低速運(yùn)行有15分鐘左右，所以綜合節(jié)電率為：
370.71×15+585.90×25+260.07×15
系統(tǒng)節(jié)電率 = 765.41×15+1522.05×25+1980.63×15×100%=30.42%
系統(tǒng)節(jié)電功率為:438.35KW
一天節(jié)電量：438.35×24 = 10520.57 度/天
按電價(jià)0.35元/度計(jì)算，一天節(jié)約電費(fèi)：10520.57 × 0.35 = 3682.19元/天
7、 變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)
變頻器改造后，對(duì)整個(gè)控制工藝有較大改善，對(duì)生產(chǎn)成本也有一定的降低，綜合考慮，變頻改造具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
1) 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高：原電機(jī)直接由工頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，滿載時(shí)功率因數(shù)為0.84左右。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.95以上，無需無功補(bǔ)償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網(wǎng)要求，可進(jìn)一步節(jié)約上游設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用。
2) 設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用下降：采用變頻調(diào)節(jié)后，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際除塵風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由于通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在負(fù)荷率較低時(shí)，電機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也降低，主設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備磨損較前減輕，維護(hù)周期可加長(zhǎng)，設(shè)備運(yùn)行壽命延長(zhǎng)；并且變頻改造后擋板開度可達(dá)100％，運(yùn)行中不承受壓力，可顯著減少擋板的維護(hù)量。變頻器運(yùn)行中，只需定期對(duì)變頻器除塵，不用停機(jī)，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。
3) 用變頻調(diào)速裝置后，可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流不超過電機(jī)額定電流的1.2倍，對(duì)電網(wǎng)無任何沖擊，電機(jī)使用壽命延長(zhǎng)。在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，電機(jī)可保證運(yùn)行平穩(wěn)，損耗減小。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的噪音和啟動(dòng)電流非常小，無任何異常振動(dòng)和噪音。
4) 與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項(xiàng)保護(hù)功能，更完善地保護(hù)了電網(wǎng)和電機(jī)。
5) 操作簡(jiǎn)單、靈活，運(yùn)行方便，可通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程給定等參數(shù)，變頻調(diào)速系統(tǒng)將會(huì)始終保持在0.01～0.1HZ頻率調(diào)整精度范圍內(nèi)工作，為實(shí)現(xiàn)除塵系統(tǒng)的自動(dòng)化創(chuàng)造優(yōu)越條實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。
6) 適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，電壓工作范圍寬，電網(wǎng)電壓在-10%～+10%之間波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)均可正常運(yùn)行。
7) 變頻改造后，系統(tǒng)節(jié)能效果比較顯著，可提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低了公司的生產(chǎn)成本，提高了公司在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。
參考文獻(xiàn)：
【2】CHH100系列高壓變頻器說明書，深圳市英威騰，2007；
【1】胡先 主編 高爐爐前操作技術(shù) 冶金工業(yè)出版社，2006；
