高壓變頻器在煉鋼水處理中的應(yīng)用

左文瑞　童兵　劉火紅　陳學(xué)

摘要：為了節(jié)能降耗，韶鋼第三煉鋼廠連鑄水處理和轉(zhuǎn)爐水處理分別對(duì)原部分高壓水泵電機(jī)進(jìn)行了變頻技術(shù)改造。文章論述了高壓變頻器在煉鋼水處理中的應(yīng)用。煉鋼系統(tǒng)供水采用變頻調(diào)速，消除了大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)影響；提供了水流調(diào)節(jié)和恒壓控制，對(duì)工藝的穩(wěn)定提供了保障。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；連鑄水處理；轉(zhuǎn)爐水處理；系統(tǒng)改造；電網(wǎng)電壓

中圖分類號(hào)：TM744 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）10-0031-03

1 概述

為了節(jié)能降耗，韶鋼第三煉鋼廠連鑄水處理和轉(zhuǎn)爐水處理分別對(duì)原部分高壓水泵電機(jī)進(jìn)行了變頻技術(shù)改造，以下分別對(duì)連鑄水處理變頻系統(tǒng)改造（變頻器為國(guó)產(chǎn)ZINVERT型智能高壓變頻器）和轉(zhuǎn)爐水處理變頻系統(tǒng)改造（變頻器為東芝TMdrive-MV無諧波系列6kV/450kW）做技術(shù)總結(jié)。

連鑄水處理對(duì)以下4組水泵電機(jī)新增4組高壓變頻器，連鑄水處理有1#板坯二冷水、2#板坯二冷水、2#板坯結(jié)晶器水、3#板坯結(jié)晶器水等四組水泵，分別為1#板坯、2#板坯、3#板坯供水，每組水泵有2臺(tái)6kV高壓電機(jī)（一用一備），電機(jī)功率和額定電流分別為560kW/63.44A、315kW/36.11A、315kW/36.11A、630kW/73.5A；改造前均為全壓工頻直接啟動(dòng)，工作時(shí)為額定電流，新增4組變頻器后電流降低，故障率減少，可根據(jù)生產(chǎn)板坯種類不同，通過閉環(huán)控制，對(duì)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，且能始終保持恒壓狀態(tài)，改善穩(wěn)定了板坯質(zhì)量。

轉(zhuǎn)爐水處理氧槍原高壓供水系統(tǒng)主要由三臺(tái)6kV/250kW電機(jī)、泵以及電動(dòng)閥組成，其用途是供給兩座轉(zhuǎn)爐氧槍冷卻作用。系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，給水泵采用兩用一備方式運(yùn)行，電機(jī)控制方式為直接工頻起動(dòng)。采用這種方式主要存在以下問題：采用定速運(yùn)行，出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)；交流電機(jī)在直接接電網(wǎng)工頻起動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊電流，導(dǎo)致對(duì)電機(jī)本身及電網(wǎng)的嚴(yán)重?fù)p害；由于要增加一座轉(zhuǎn)爐，且保持原來供水管道不變，以原電機(jī)容量是不能滿足生產(chǎn)要求的，所以本次增大電機(jī)容量以及泵的容量，選用3臺(tái)400kW電機(jī)，改用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，增加3臺(tái)變頻器450kWTMdrive-MV。氧槍高壓供水泵通過本次技改后，完全能滿足3座爐子氧槍供水需求，電機(jī)起動(dòng)過程平緩，對(duì)電網(wǎng)的干擾小，電機(jī)損耗小，功率因數(shù)高，節(jié)能效果顯著，使用方便，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水。

2 設(shè)備現(xiàn)狀及工藝要求

2.1 連鑄水處理原系統(tǒng)的缺點(diǎn)

（1）電能損耗大，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊大，對(duì)電機(jī)沖擊損壞嚴(yán)重。

（2）投產(chǎn)以來，由于生產(chǎn)工作的電機(jī)出現(xiàn)故障，曾導(dǎo)致被迫停澆。

（3）不能滿足生產(chǎn)工藝需求，要手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)水量，不能實(shí)現(xiàn)恒壓控制。

2.2 轉(zhuǎn)爐水處理原系統(tǒng)的缺點(diǎn)

（1）出口壓力高、管損嚴(yán)重，導(dǎo)致閥門泄漏、不能關(guān)嚴(yán)等。

（2）交流電機(jī)在直接接電網(wǎng)工頻起動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊電流，導(dǎo)致對(duì)電機(jī)本身及電網(wǎng)的嚴(yán)重?fù)p害。

（3）不能滿足3座爐子氧槍供水需求。

2.3 連鑄水處理系統(tǒng)改造方案

（1）2008年7月利用4#板坯水處理新建高壓電氣室剩余空間新增4套ZINVERT型智能高壓變頻器，原高壓開關(guān)柜保持不動(dòng)，作為至現(xiàn)用高壓變頻柜一通斷開關(guān)，拆除原高壓開關(guān)柜至現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的動(dòng)力電纜，改為開關(guān)柜——變頻器——電機(jī)。新增現(xiàn)場(chǎng)操作4個(gè)，在變頻器旁增加兩套遠(yuǎn)程I/O站，作為原1#板坯水處理PLC、2#、3#機(jī)（共用）水處理PLC子站，與其通訊。

其中F1～F4為6kV高壓真空斷路器，F(xiàn)3、F4為供貨方提供；J1～J4為6kV高壓接觸器，根據(jù)電力規(guī)程要求分別配置K1～K4為刀閘。正常運(yùn)行中各刀閘閉合狀態(tài)，在檢修時(shí)根據(jù)需要切開相應(yīng)刀閘。

若M1泵變頻運(yùn)行M2泵工頻備用，則F1、J1、F3閉合，F(xiàn)2、F4、J2、J3、J4斷開；若M2泵變頻運(yùn)行M1泵工頻備用，則F2、J2、F4閉合，F(xiàn)1、F3、J1、J3、J4斷開；該方案中的J1、J2相互閉鎖，J3、F3相互閉鎖，J4、F4相互閉鎖，F(xiàn)3與F4高壓相互閉鎖。確保同一電機(jī)不出現(xiàn)變頻、工頻同時(shí)驅(qū)動(dòng)。同一泵組之間不能出現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作。另外，ZINVERT智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)旁路刀閘柜符合“五防”閉鎖的要求，旁路柜高壓有電或高壓側(cè)開關(guān)在合閘位置時(shí)，閉鎖所有刀閘操作，前后柜門不能開啟；旁路刀閘之間具有閉鎖，防止誤操作。

2.4 轉(zhuǎn)爐水處理系統(tǒng)改造方案

（1）每個(gè)柜子放一根3×185的高壓變頻器到電機(jī)之間的電纜。一根3×185從高壓開關(guān)柜到高壓變頻器的電纜。3根高壓開關(guān)柜到高壓變頻器的控制電纜。做兩根3×185電纜的絕緣和耐壓實(shí)驗(yàn)，確保電纜的安全性能。高壓變頻器調(diào)試。調(diào)試人員對(duì)高壓變頻器各個(gè)驅(qū)動(dòng)板和通信電纜進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)無誤后，設(shè)置變頻參數(shù)，在變頻器旁對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載試車，并對(duì)電機(jī)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控。PLC程序員編寫程序和修改控制畫面，以通過上級(jí)PLC來控制高壓開關(guān)柜的合閘和改變變頻器的頻率來改變供水泵的轉(zhuǎn)速。最后由本廠操作人員在畫面進(jìn)行控制，達(dá)到滿意效果。把電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，對(duì)供水流量、管道壓力、電機(jī)參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)控一個(gè)工作日后，各參數(shù)正常，改造圓滿結(jié)束，設(shè)備投入正式運(yùn)行。

（2）轉(zhuǎn)爐水處理氧槍高壓供水系統(tǒng)改造以后的系統(tǒng)主回路圖，如圖2所示：

2.5 每套系統(tǒng)配置

（1）450kW，6kV輸入6kV輸出TMEIC高壓變頻器。

（2）高壓工頻切換柜KA（K12與K13之間有機(jī)械連鎖，不能同時(shí)合上）。

手動(dòng)刀閘旁路切換方案如主回路圖所示，采用手動(dòng)刀閘切換也可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的工頻/變頻切換。當(dāng)工頻旁路柜KA中K12斷開時(shí)，K11、K13閉合，此時(shí)，電機(jī)由6kV輸出TMEIC無諧波高壓變頻器驅(qū)動(dòng)，電機(jī)處于變頻調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)工頻旁路柜KA中K12閉合，K11、K13斷開時(shí)，電機(jī)可以由6kV工頻電網(wǎng)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。由于此方案采用了手動(dòng)刀閘，在切換過程中，需要切斷用戶高壓開關(guān)，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)完成切換操作。

（3）該系統(tǒng)如主回路圖所示：在正常工作時(shí)K11、K13閉合，K12開路。此時(shí)水泵由變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的工況變化，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)水泵速度的平滑調(diào)節(jié)。當(dāng)變頻器需要檢修時(shí)，可以使K11、K13開路，同時(shí)閉合K12。此時(shí)，水泵亦可直接由電網(wǎng)直接驅(qū)動(dòng)。TMEIC高壓變頻器本身具有極高的可靠性，如果再配上工頻旁路刀閘柜，則整套系統(tǒng)將更加可靠。在變頻方式下，原來電機(jī)的保護(hù)通過變頻器來實(shí)現(xiàn)。由于切回工頻方式時(shí)還采用原差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)的切換可以通過工頻旁路柜上的相應(yīng)輔助接點(diǎn)來自動(dòng)切換。在變頻方式下，不需要采用無功補(bǔ)償裝置，如在工頻方式運(yùn)行，則根據(jù)系統(tǒng)情況考慮采用無功補(bǔ)償裝置。

3 系統(tǒng)組成及控制功能

3.1 連鑄變頻系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

（1）完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)配置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能迅速自動(dòng)使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行。

（2）PLC給變頻器一個(gè)模擬量（轉(zhuǎn)速），通過閉環(huán)控制和變頻調(diào)速達(dá)到水流恒壓。

（3）ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術(shù)，直接輸出3kV、6kV、10kV電壓，屬高-高電壓源型變頻器。由于采用功率單元串聯(lián)而非功率器件的直接串聯(lián)，因此解決了器件耐壓的問題。同時(shí)由于同相各級(jí)功率單元輸出SPWM信號(hào)通過移相后進(jìn)行疊加，提高了輸出電壓諧波性能，降低了輸出電壓的dv/dt；通過電流多重化技術(shù)降低輸入側(cè)諧波，減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。

（4）據(jù)估算，該套系統(tǒng)投運(yùn)后，按適配高壓電機(jī)年運(yùn)行7000小時(shí)計(jì)算，節(jié)電率一般在20%～40%之間，年節(jié)電可達(dá)500萬kWh，以國(guó)內(nèi)工業(yè)用電0.5～0.7元計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)可達(dá)200～300萬元，用戶在一年內(nèi)可回收設(shè)備投資。

（5）變頻器帶有自診斷顯示，運(yùn)行中可選擇觀察輸出電流、電壓、頻率、同步轉(zhuǎn)速等參數(shù)。變頻裝置提供中文操作界面，具有參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)監(jiān)控等功能。

（6）系統(tǒng)能在電子噪聲、射頻干擾及振動(dòng)的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行，且不降低系統(tǒng)的性能。距電子柜1.2m處以外發(fā)出的工作頻率470Hz、功率輸出達(dá)5W的電磁干擾和射頻干擾，不影響系統(tǒng)正常工作。

3.2 轉(zhuǎn)爐水處理變頻系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

（1）變頻器采用高壓直接輸入、高壓直接輸出的電壓源方式。變頻裝置采用多繞組、多單元串聯(lián)的無諧波方式。6kV輸出采用36脈沖，不加任何濾波器就可以滿足“GB/T14549”電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波中規(guī)定的每次諧波電流值的要求及“IEEE519”國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定（0%～100%頻率范圍內(nèi)）。

（2）逆變器側(cè)采用高開關(guān)頻率的IGBT器件，IGBT采用經(jīng)過三菱嚴(yán)格篩選的軍品級(jí)最新一代1700V的高壓IGBT，具有極高的可靠性，保證良好的輸出波形。變頻器輸出電壓近似正弦波，輸出電流為正弦波。

（3）變頻單元內(nèi)部有非常先進(jìn)的自動(dòng)預(yù)充電電路，可以使10kV高壓上電時(shí)的電流沖擊減到最小，防止高壓斷路器速斷保護(hù)動(dòng)作跳閘。

（4）變頻器系統(tǒng)總效率（滿載）達(dá)到97%，輸入功率因數(shù)0.95以上，無需功率因素補(bǔ)償器。

4 節(jié)能及效益分析

系統(tǒng)改造后可以快速地調(diào)節(jié)流量，運(yùn)行人員對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整控制更為穩(wěn)定自如。系統(tǒng)的功率因素可以提高到0.95以上，減少無功損失。提高了系統(tǒng)自動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行提供了可靠保證，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)得到改善，提高了效率。電機(jī)直合時(shí)：電流39～42A，功率因素0.75～0.85，日用電量9180kWh。電機(jī)帶變頻器運(yùn)行時(shí)：電流30～35A，功率因素0.95～0.97，日用電量6720kWh。通過數(shù)據(jù)分析，采用變頻器后，電機(jī)的功率因數(shù)明顯提高，節(jié)電效果顯著。電機(jī)采用高壓變頻器后：功率因數(shù)（平均值）提高到0.96以上；節(jié)電達(dá)到27%。

5 結(jié)語

經(jīng)過這次改造，兩系統(tǒng)運(yùn)行均非常可靠，降耗節(jié)能效果顯著，為穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王克亮.高壓變頻器在除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用[J].天津冶金，2011，（5）.

作者簡(jiǎn)介：左文瑞（1982-），男，寶鋼集團(tuán)韶關(guān)鋼鐵有限公司助理工程師，研究方向：自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：吳 濤）