高压变频调速装置在昆钢集团二炼钢厂除尘风机上的应用

　概述：
    文章根据昆钢集团二炼钢厂为了提高系统自动化程度、改善工艺条件从而在转炉吹氧风机的设计上采用了东方凯奇公司高压大功率变频器替代传统的液力耦合器进行调速的情况，结合东方凯奇公司高压大功率变频器在现场的使用情况、以及与液力耦合器进行对比后的情况总结了采用变频器后的优点、对提高工艺水平的好处以及良好的节能效果。
    从使用的情况看，高压大功率变频器完全可以适应这种场合的应用，它的优异性能将会为用户带来极大的方便和产生良好的经济效益。

关键词：高压变频器，液力耦合器，除尘风机，调速节能

1. 工程概述
    昆钢二炼钢厂现有原设计公称容量15吨氧气顶吹转炉三座，2000年对转炉进行了扩容和氧枪改造。2001年二炼钢厂全年共产钢90.6万吨，转炉平均出钢量为22吨/炉，装入量为24吨。2002年二炼钢全年共产钢104.5万吨。
随着国民经济的高速发展，需要在现有设备条件下尽力挖掘设备潜力，提高钢铁产量。根据我们调查和分析，限制二炼钢厂综合产钢能力提高的主要因素是转炉系统产钢能力不足。
    转炉产钢能力主要受出钢量，转炉作业率和缩短冶炼周期等因素制约。为实现150万吨综合产钢能力，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。通过理顺物流，可减少转炉等待时间2.5分钟；提高铁水质量，增加供氧强度，缩短供氧时间2.5分钟；稳定原料成分，减少波动，可提高转炉一次倒炉出钢率，缩短终点倒炉取样及测温时间1.5分钟。冶炼周期可从现在的29.47分的基础上缩短至23.5分钟以内，使二炼钢厂的综合产钢能力达到150万吨。
    在市场竞争日益激烈的前提下，昆钢集团有限公司二炼钢厂积极采取措施在增加产量的同时降低消耗，使企业在市场竞争中增加竞争力。
2. 调速方案的选择
    昆钢二炼钢厂在2003年6月扩建炼钢厂设计综合产钢能力为150万吨，其三座转炉分别配置三套除尘系统，该系统一方面将燃烧不完全的煤气回收，另一方面通过除尘风机排除剩余烟气，为满足钢厂节能及环保的要求，除尘风机根据炼钢工艺在吹氧及炼钢时高速运行，其余时间为低速运行。
为了满足生产工艺，使系统的运行符合工况，肯定需要系统有良好的调速性能。传统的解决办法是采用液力耦合器调速技术方案、直流调速技术方案以及其它方式的调速方案。一般采用液力耦合器进行风机调速的居多，由于液力耦合器本身的技术缺陷，在该系统中已难以较好地满足生产工艺要求，这些缺陷有：
a．采用液力耦合器时，在低速向高速运行过程中，延迟性较明显，不能快速相应，同时这时候的电流较大，如整定不好会引起跳闸，影响系统稳定性。
b．液力耦合器本身控制精度差，调速范围窄，通常在40％～90％之间；
c．电机启动时，冲击电流较大，影响电网的稳定性。
d．在高速运行时，液力耦合器有丢转现象，严重时会影响工作的正常进行。
e．液力耦合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。
f．液力耦合器工作时是通过一导管调整工作腔的充液量，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。液力耦合器经过一段时间使用，其维护费用较高，
g．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。
h．耦合器运行时间稍长，会漏油严重，对环境污染大，地面被油污蚀严重。
i．风机和电机的运行噪音大，达到90dB左右，严重影响操作人员的身体健康。
    从以上情况来看，如果使用液力耦合器，会制约昆钢二炼钢厂节能降耗，降低生产成本，提高生产效率，增加企业竞争力的目的。
    由于使用液力耦合器有这些固有的缺陷，现在有很多企业已经采用新型的高压大功率变频调速装置拖动风机，取得了良好的应用效果。
2003年6月，昆钢集团二炼钢厂和成都东方凯奇公司经过技术磋商，决定在1号转炉的除尘风机上进行变频改造，以满足风机调速的要求，改善工艺状况。
3. 变频改造方案实施
    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，还有可能危胁到现场生产人员的人身安全；另外，调速系统工作的环境比较恶劣；同时转炉又周期性间断吹氧；所以，和除尘风机配套的高压调速系统，要求具有极高的可靠性。基于以上工作特点，对变频调速系统的主要要求如下：
a. 要求变频器具有高可靠性，长期运行无故障。
b. 要求变频器有完美的旁路功能，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。
c. 调速范围要大，效率要高。
d. 具有逻辑控制能力，可以自动按照吹氧周期升降速。
e. 有共振点跳转设置，能使电机避开共振点运行，让风机不喘振。
系统原理图如下：

其中K1、K2、K3为变频器的旁通柜，K1、K2与K3互锁，
从系统的原理图中可看出，进行变频改造对原系统改动较小，可在较短时间内完成改造方案，K3的加入可使变频在有故障的情况下工频旁通。
该变频器的参数如下：
型    号：DFCVERT-MV-1000/6B
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％
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—3000秒可调
电流波形：完全正弦
其它：
防护等级　　　　　　　　　　IP31
环境温度　　　　　　　　　　0-40℃
环境湿度　　　　　　　　　　90%,无凝结
海拔高度　　　　　　 　　 1860米
高低速逻辑控制功能（加减速时间均可按照工艺要求设定）
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;
电机参数如下：
电机型号：Y B630S1-1                 
额定功率：  800kW                    
额定电压：  6kV                     
额定电流：  90.6A                    
额定转速：  2950r/min               
功率因数：  0.89
风机参数如下：
    风机型号：D1100
    额定流量：66000m3/ h
    全    压：24658 Pa.g
效    率：95.5%

    2003年8月底变频器发往现场，9月中旬变频器完成了现场的安装调试工作并正式投入生产运行。
    变频器从制造到正式投入使用，所用的生产、安装、调试周期都很短，总共仅有3个多月的时间，保证了1号转炉的技术改造的周期和正常的生产。
　　同传统的液力耦合器比较，东方凯奇电气有限责任公司生产的高压变频器有以下优点：
（1）运行稳定，安全可靠。原来使用液力耦合器大概40天左右就必须更换轴承，每次需停炉半天左右，带来的巨大的经济损失。DFCVERT-MV型变频器具有免维护的特点，只需定期更换柜门上的通风滤网，不用停机，保证了生产的连续性。
（2）节能效果较为显着，大大降低了吨钢电耗。
（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）由于电机降低速度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，这样可以延长风机系统的使用寿命。
    从现场投运来看，该变频器通常运行在高速和低速两种状态，当转炉在吹氧和炼钢时，变频器由低速转入高速状态，上升时间要求在1分钟之内完成，否则在吹氧和炼钢时要产生大量的烟气，若不能及时排出烟气，将会影响到生产甚至现场工作人员的人身安全。经过现场多次运行，DFCVERT-MV-1000/6B变频器完全能够满足这项技术要求。其次，从高速到低速也完全满足工艺的要求。
4. 经济分析
    根据扩建后炼钢工艺要求，炼一炉钢为23分钟。由风机中控室根据下氧枪信号给变频器一高速信号使变频器运行在高速状态，时间为8～12分钟，根据转炉出钢信号使变频器运行在低速状态，时间为11～15分钟，其中，高速状态为43HZ（2500转/分钟）；低速状态为18HZ（1000转/分钟）。
    现场实测到当变频器运行在高速状态时，变频器的输入电流为40.2A；当变频器运行在低速状态时，变频器的输入电流为18A；炼一炉钢变频器运行在高速状态平均所需时间为10分钟，低速状态平均所需时间13分钟；若按年工作日8000小时计算，那么，变频器在一年里高速状态的时间约3480小时，低速状态约4520小时；
（1）采用变频器拖动风机时
高速状态：
P1 =√3 UIcosф= 1.732×6.3×40.2×0.96＝419.00544kW
低速状态：
P2 =√3 UIcosф= 1.732×6.3×18×0.95＝186.58836kW
平均功率  P=P1×0.8+P2×0.2=372.52kW(高速状态约80％，低速状态为20％)
（2）采用液力耦合器时
高速状态：
P1’ =√3 UIcosф= 1.732×6.3×52×0.93＝527.68kW
低速状态：
P2’ =√3 UIcosф= 1.732×6.3×44×0.9＝432.1kW
平均功率  P’=P1’×0.8+P2’ ×0.2=508.564W     (高速状态约80％，低速状态为20％)
（3）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对比：
F=(P’-P)/P=(508.564-375.52)/508.564=26.17%
从计算结果知道，采用变频器技术改造后，不仅具有良好的节能效果，而且操作方便，特别适合于钢铁厂进行风机的技术改造。
5．工艺特性的改进
    采用变频调速后，整个炼钢风机的工艺特性得到很大的改进，主要反映如下：
（1）电机的温升和轴承温升下降明显   电机温升在采用液力耦合器时的59℃下降至44℃，电机的前后轴承的温度都有响应的下降；
（2）电机的振动明显降低  电机的振动由采用液力耦合器的2.2mm下降到0.2mm，改善的效果非常明显。
（3）整机的运行噪音改善明显   采用液力耦合器时，无论低速高速，由于电机均处于工频运行，整机的噪音明显，达到90dB左右，但是进行变频改造后，整机的运行频率下降至40Hz左右，电机的运行噪音明显下降，低于80dB,在低速运行时基本上听不到噪音，达到65dB以下，大大改善了现场的噪音污染。
（4）日常维护包养工作量和费用下降   采用液力耦合器估计每年的维护费用在5万元左右，采用变频器后，这项费用下降为数千元左右。
（5）调速范围   采用液力耦合器调速范围具有相当大的限制，采用变频器后，变频范围可以任意设定，大大地增强了工艺调节能力。
6. 结束语
    经过近半年的运行，证明DFCVERT-MV-1000/6B高压大功率变频器性能好，可靠性高，节能效果明显，满足连续生产对调速系统的要求，同时可以大大改善工艺条件，提高生产效率，具有很好的推广价值。
因此昆钢集团二炼钢厂在成功改造了1号转炉后又决定对2号、3号转炉进行变频改造。