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關鍵詞：冶金、高爐鼓風機、高壓變頻器、節能改造、雙機并聯、無擾切換

      摘要：本文介紹了匯川技術HD92系列大功率高性能高壓變頻器在鋼鐵行業高爐鼓風機上的成功應用，系統在國內首創雙機并聯方案，并且具備工變頻的無擾切換功能，能夠實現單臺故障時，另一臺不停機且能夠無擾切換至工頻運行。

一、高爐工藝簡介

高爐因具有煉鐵技術經濟指標良好，工藝簡單，生產量大，勞動生產效率高，能耗低等優點，這種方法生產的鐵占世界鐵總產量的絕大部分。高爐為煉鐵環節中最主要的設備，它為橫斷面為圓形的煉鐵豎爐，生產時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部的風口吹入經預熱的空氣。在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。鐵水從鐵口放出，生成的爐渣，從渣口排出。煤氣從爐頂排出，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等燃料。

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圖一：高爐風系統圖

高爐鼓風機是高爐最重要的動力設備，上圖為整個高爐的系統圖，從中可以看到高爐鼓風機的位置及作用，它不但直接提供高爐冶煉所需的氧氣，而且提供克服高爐料柱阻力所需的氣體動力。現代大、中型高爐所用的鼓風機，大多用汽輪機驅動的離心式鼓風機和軸流式鼓風機。這種鼓風機耗電雖多，但啟動方便，易于維修，投資較少。高爐冶煉要求鼓風機能供給一定量的空氣，以保證燃燒一定的碳；其所需風量的大小不僅與爐容成正比，而且與高爐強化程度有關、一般按單位爐容2.1～2.5m3/min的風量配備。但實際上不少的高爐考慮到生產的發展，配備的風機能力都大于這一比例。

高爐鼓風機處于整個高爐系統的非常重要的位置，其運行可靠性關系著整個高爐生產，甚至會影響安全事故，一般情況下在高爐正常生產過程中如果高爐鼓風機意外停機將導致嚴重的安全生產事故，經濟損失少則幾十萬，多則上百萬。

但高爐鼓風機為整個高爐系統中功率最大的負載，其耗電量巨大，而且目前很多采用水阻柜啟動加風門調節的方式啟動和調節鼓風機的出口壓力，能量浪費嚴重，變頻改造逐漸進入廠家的視野，但對變頻調速系統的可靠性提出了很高的要求。

二、項目概況

河北某重工企業的高爐鼓風機為大功率離心式鼓風機，采用三相異步電機驅動，工頻啟動采用水阻柜方式，由于啟動沖擊大，每次啟動風機都很困難，另外由于風壓采用風門調節的方式，正常生產過程中風門開度在30%到50%，能量浪費很嚴重，節能空間巨大，變頻改造成為最好的選擇，針對高爐鼓風機這種高重要型負載，我司提供了高可靠性的方案，與客戶之間實現了雙贏。

（1）系統方案說明

圖二：高壓變頻器一次圖

整個系統由以下設備組成：1#進線柜、1#預充柜、1#變頻器、1#電抗器柜、1#出線柜、2#進線柜、2#預充柜、2#變頻器、2#電抗器柜、2#出線柜、工頻進線柜、電機、星點柜，其中電機與星點柜為客戶原有設備，其余設備為本次變頻改造新增設備。

此系統在國內首創了高壓變頻器雙機并聯方案，針對現場實際情況，我司配兩臺大容量的高壓變頻器并機構成驅動啟動，通過同步脈沖發波技術解決同步問題，并經過電抗器的均流處理后共同拖動6300kW電機，兩臺變頻器同時運行，當系統內任何一臺變頻器出現故障時，另外一臺變頻器根據現場工藝同步切換至原有工頻系統運行，不影響高爐鼓風機的運轉。

由于兩臺并聯運行，當系統任意一臺變頻器處于突然停機狀態時，系統分斷相應變頻器的進線斷路器和出線柜，工頻進線柜斷路器處于斷開狀態，只閉合正常運行變頻器對應的進線斷路器和出線柜，根據現場應用情況，若滿負荷生產，切換時對電網有較小沖擊，為保證切換過程平滑無擾，切換時需要稍微關小風門擋板，當關小到一定程度后進行切換最為穩妥，此現場風門沒有自動聯鎖，所以任何一臺變頻器故障時，高爐鼓風機將根據現場工藝調試時確定同步切換在擋板關閉到多少時同步切換可以對電網沒有沖擊，保證切換過程平滑無擾，當變頻器修好后，系統工藝允許情況下可通過同步切換技術切回至原兩臺變頻運行狀態，使系統繼續運行。

（2）系統操作說明

圖三：高爐鼓風機操作臺

整個系統為方便客戶操作，我方設計了系統的遠方操作臺，所有的操作均由遠控實現，遠控臺的設計過程中也盡可能遵循簡單安全操作的基本原則，對于系統的上電、啟動、調速、工變頻切換均只需操作一到兩個按鈕完成，對于重要的開關，設置了解鎖操作，以防誤按造成系統事故。

三、變頻改造優勢

高爐鼓風機的變頻改造不同于其他風機，所以系統的安全可靠性為方案設計的最重要方向，裕量設計較大，所以系統在正常運行時1#~2#變頻器以較低電流進行輸出，即可滿足常用風機滿載運行，本系統方案優勢如下：

（1）兩臺變頻器一直帶電，可減少變頻器維護，減少因長期放置而造成故障的威脅；

（2）變頻器以較低電流輸出，減少變頻器自身的損耗；

（3）系統擁有充足裕量，以面對突發事故，單臺變頻故障時，另外一臺可以繼續驅動電機運行，并且可以實現變頻與工頻之間真正的無沖擊切換，保證高爐系統生產的連續性；

（4）變頻改造的主要目的是節能，之前風門開度在30%~50%，造成了嚴重的能量浪費，本次改造節能效果明顯，總體節能效果在20%到30%之間，在非正常生產期間，其節電率更高；

（5）延長電機及負載的使用壽命：變頻改造真正實現了電機及負載的軟啟動，減少了沖擊，能夠有效延長其使用壽命，之前客戶每次啟動此電機都非常麻煩，需要停掉所有用電設備，而現在可以隨意進行電機的啟動，而且現場電機使用軸瓦，也有效的減小了啟動時對軸瓦的沖擊；

（6）使用簡單、自動化水平高、檢修方便：本系統配備有遠程操作臺，且操作臺的設計遵從安全簡單的原則，方便工人的操作，系統中的關鍵部位均配備有隔離刀閘，方便將來設備的檢修；

（7）降低電機噪聲污染：變頻改造后將根據高爐實際需求風壓進行變頻調速，電機噪聲明顯降低，改善了工人的作業環境；

（8）對電網諧波污染小：HD92系列高壓變頻器采用單元級聯型，10kV產品為54脈沖整流，對電網諧波污染小于國家標準；

四、匯川技術HD92高壓變頻器的優勢

匯川技術HD92系列高性能矢量型高壓變頻器采用功率單元級聯式技術路線，矢量控制高壓變頻器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA組成，指令在納秒級完成，因此控制波形和逆變波形可以實時校驗。具有國際領先的技術！

所有產品均進行滿載72小時測試，除一些保護功能外，磁鏈閉環矢量控制技術、高頻技術、快速疊頻技術、Syn-transfer技術、非對稱旁路技術、雙路控制電源、同步機變頻等功能，這些功能技術上處于國際領先水平。

HD92系列高壓變頻器系統在設計上有以下技術特點，部分技術在高壓變頻器上使用是國內及國際領先。

1) 高性能的控制器使用了DSP、FPGA、ARM、PLC器件可靠，分工明確。

2) 國內第一家設計的高頻輸出控制器，最高頻率可達330Hz,適用于高轉速類負載，省掉了負載側的增速齒輪箱，降低設備成本和維護量，提高系統的響應能力和轉矩輸出能力。

3) 利用syn-transfer技術可以把電機從變頻運行狀態平滑無沖擊的切到工頻運行，或者把電機從工頻運行平滑無沖擊的切換到變頻運行。

4) 率先設計了內置PID調節器和模糊控制調節器,進行閉環控制，也可以使用外置調節器進行閉環控制。

5) 控制器系統遠程通信監控接口為RS232/RS485，另外備有計算機網絡監控的RJ45擴展口和通信轉換模塊，可以靈活支持Modbus、Profibus、TCP/IP或IEC61850等通信協議。

6) 功率單元故障旁路后采用非對稱旁路技術，保證輸出電壓產生最小的電壓降。系統在一個功率單元旁路時，可以維持95%以上輸出電壓。

7) 獨創性的設計了快速疊頻技術，通過矢量算法在輸出電壓矢量上疊加可控的高頻分量，使電機產生更大的阻力矩，加快電機的制動，大大減少了降速時間。

8) 電網瞬間失電后來電可以自動再啟動。

9) 完善的功率單元保護和系統保護，故障診斷定位準確，歷史故障記錄和運行記錄完備。

五、現場應用照片

圖四：現場設備運行照片

圖五：運行過程中觸摸屏照片

圖六：現場鼓風機監控界面

六、結束語

冶金行業歷來屬于高耗能行業，大功率電機數量巨大，常年工頻運行導致能源浪費嚴重，變頻改造不僅能夠實現顯著地節能效果，且能夠改善運行工藝，達到多重改造效果，經濟效益及社會效益顯著，高爐鼓風機的變頻改造不僅能夠實現較高的節能效果，還能夠實現大功率電機的啟動問題，但方案的設計上一定要遵從安全可靠的原則，匯川技術HD92系列高壓變頻器之所以能夠成功的改造此次高爐鼓風機，也是產品高性能、高可靠性的一個證明。

匯川技術有限公司依托多年的自動化行業的應用經驗，對冶金行業的變頻改造具有獨到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術的高性能變頻器，產品適用于冶金、電力、化工、市政等多個應用領域。