羅克韋爾中壓變頻器在煉鋼廠除塵系統(tǒng)中的應用案例分析

【摘要】傳統(tǒng)煉鋼廠中轉(zhuǎn)爐除塵系統(tǒng)由于設備陳舊，更新速度慢等原因，導致車間內(nèi)大量煙氣和霧氣的散發(fā)，為解決車間煙霧、灰塵污染等問題，必須對鋼廠內(nèi)的除塵系統(tǒng)進行改造。而利用中壓變頻器對除塵系統(tǒng)進行改造可取得良好的環(huán)保及節(jié)能效果。對此，本文首先介紹了風機變頻調(diào)速的原理，然后研究了中壓變頻器在鋼廠除塵系統(tǒng)中的應用方案并分析了預期效果，最后通過實際項目應用案例證明了中壓變頻器在改造除塵系統(tǒng)中的實用性。

【關鍵詞】中壓變頻器；除塵系統(tǒng)；風機；案例

1、引言

煉鋼廠作為國家重工業(yè)的典型企業(yè)，為我國經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步做出了卓越的貢獻，是我國經(jīng)濟發(fā)展的基礎和支撐。但隨著可持續(xù)發(fā)展觀的不斷貫徹落實與深化，傳統(tǒng)煉鋼廠中存在的一些問題不斷的暴露出來，其中之一就是煉鋼過程中的煙塵處理問題。煉鋼廠中傳統(tǒng)的除塵系統(tǒng)由于設備更新慢、除塵技術落后等問題，導致在煉鋼過程中，大量的高溫度煙氣在工廠車間內(nèi)彌漫，此外，煙氣還會到處散發(fā)，甚至排放到大氣中，造成嚴重的空氣污染，為使煉鋼過程更加綠色、環(huán)保、節(jié)能，對鋼廠內(nèi)的除塵系統(tǒng)進行設備和技術上的雙重改造勢在必行。而采用交流變頻器調(diào)速的方法對電動機進行調(diào)速控制，從而實現(xiàn)除塵系統(tǒng)中風機送風量的控制，可以有效實現(xiàn)煙塵排放處理，取得環(huán)保節(jié)能的雙重效益。

2、風機節(jié)能變頻調(diào)速的原理

風機工作點是由風機自身的工作特性曲線和管網(wǎng)特性曲線所共同決定的。如圖1所示，其中曲線1和2是管網(wǎng)特性曲線，3和4是風機的工作特性曲線，倆曲線的交點即為風機的工作點。圖中橫軸表示送風量，縱軸表示風壓。

調(diào)節(jié)風量的方法主要有兩種，一種是調(diào)節(jié)擋風板開度，并保持風機轉(zhuǎn)速不變；一種是調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，并保持擋風板開度不變。

如圖1所示，如果想把送風量從Q1減到Q2，傳統(tǒng)的做法是保持風機轉(zhuǎn)速不變，關小擋風板開度，此時管網(wǎng)特性曲線從曲線1變?yōu)榍€2，風機工作點從N1變?yōu)镹2，相應的風壓從H1變?yōu)镠2。如果采用調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速的方法，那么管網(wǎng)特性曲線將保持不變，風機轉(zhuǎn)速下降，送風量相應從Q1減到Q2，風機工作點從N1變?yōu)镹2，風壓則從H1變?yōu)镠3。由圖中不難看出，在上述倆種情況下，都實現(xiàn)了降低送風量的目的，但是風機的工作點卻有所不同，前者的風壓H2明顯要高于后者的風壓H3，風壓H2下風機的工作功率也必然大于風壓H3下風機的工作功率，因此，如果采用調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速的方法，明顯可以在達到同等目的的前提下，很好地實現(xiàn)節(jié)能的目的。

3、除塵系統(tǒng)改造方案

3.1PowerFlex7000型中壓變頻器簡介

PowerFlex7000型中壓變頻器是由美國羅克韋爾公司生產(chǎn)的一款新型變頻器，采用了18脈沖技術方案，具有更高的可靠性，對電網(wǎng)和電機友好，固有四象限運行和能量回饋功能，可快速響應負荷變化，靈活的隔離變壓器配置，可滿足不同客戶需求。該款中壓變頻器可廣泛的應用于冶金、電力、礦業(yè)、石油、水泥和水廠等多個行業(yè)。

Powerflex7000中壓變頻器的主要技術指標如下，輸入電壓為6×（1±10%）kV，輸出電壓范圍為[0，6.6kV]，額定功率為950kW，輸入頻率為5×（1±10%）Hz，輸出頻率范圍為[0，75Hz]，控制電源電壓為220V，效率可達98%以上。冷卻方式為風冷，逆變類型為PWM。

3.2異步電機變頻調(diào)速原理

異步電動機的轉(zhuǎn)速公式如下：

（1）

式中：n為電動機轉(zhuǎn)速，f為工作電源頻率（簡稱工頻），s為電動機的轉(zhuǎn)差率，p為電動機的極對數(shù)。

由式（1）可知，如果想對異步電動機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)或控制，可以采用三種方法：一是改變工頻f，即變頻調(diào)速法；二是改變異步電動機的極對數(shù)p，即變極調(diào)速法；三是改變轉(zhuǎn)差率s。其中采用方法三進行調(diào)速時會增大電動機的損耗，而方法二變極調(diào)速法在調(diào)節(jié)過程中是有級調(diào)速，無法實現(xiàn)連續(xù)均勻調(diào)速，故通常僅用在對調(diào)速要求并不嚴格的場景，而變頻調(diào)速法則不存在上述問題，故而成為最高效且實用性強的調(diào)速方法。

3.3除塵系統(tǒng)變頻調(diào)速設計

（一）變頻方案制定

本文案例中的除塵風機是大功率異步電動機，其額定電壓為6kV，額定功率為3800kW，故需采用中壓變頻技術對其進行變頻調(diào)速控制。當前常用的中壓變頻方案主要有三種，方案一是星角變換，方案二是高低高變頻調(diào)速，方案三是直接中壓變頻調(diào)速。其中前兩種方案都需要進行降壓。

方案一雖然可以滿足電壓和電流的要求，但是對dU/dt及共模電壓的承受能力都比較差。方案二采用了升壓和降壓兩臺變壓器，雖然可以選用價格更為便宜的低壓變頻器進行變頻調(diào)速，但是節(jié)能效率比較低下，且升壓和降壓變壓器都需要配備相應的啟動/停止及繼電保護裝置，故建設成本較高，而且對于占地的要求也高。方案三無須經(jīng)過中間環(huán)節(jié)便可對異步電動機進行直接調(diào)速，是上述三種方案里最方便直接，也是目前中壓大功率電動機變頻調(diào)速的最佳方案，其原理示意圖如圖2所示。

（二）風機變頻調(diào)速系統(tǒng)

當煉鋼轉(zhuǎn)爐在冶煉過程中，生產(chǎn)工序發(fā)生變化時，為保證達到較好的除塵效果，必須同步調(diào)節(jié)送風量，使之與轉(zhuǎn)爐傾動控制角度相配合。此外，排放于大氣中的煙塵中的粉塵濃度是否可以達到國家的相關規(guī)定標準同樣也是衡量除塵系統(tǒng)的除塵性能好壞的重要指標。傳統(tǒng)的做法為通過調(diào)節(jié)送風機擋板來調(diào)節(jié)排風量，或者為恒流量運行，這種運行方式存在兩個缺點，一是排風量不能根據(jù)生產(chǎn)情況進行合理的調(diào)節(jié)變化，從而導致除塵后的煙氣中粉塵濃度不受控制，很容易違背相關的國家規(guī)定標準；另一方面是電動機的轉(zhuǎn)速不可調(diào)控，使得運行過程中會產(chǎn)生非常大的電能損耗，從而增大運行成本。采用變頻器對除塵系統(tǒng)進行升級改造后，可以通過改變變頻器的輸出電壓頻率，來實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)速控制和調(diào)節(jié)，以達到調(diào)節(jié)或控制除塵排風量的目的。如圖3所示為除塵系統(tǒng)中變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的原理圖。

該系統(tǒng)具有線性好，調(diào)節(jié)方便快捷，可靠性優(yōu)良等特點，可使通風系統(tǒng)非常容易的自動投入到運行當中。

此外，變頻器操控系統(tǒng)主要組成部分有變頻器設備，異步電動機，電源斷路器，輸出接觸器及接入變壓器等。其中變頻器設備的主要組成部分又包括功率變換設備（例如電網(wǎng)換相式整流器，逆變器組件和直流電抗器），控制保護與監(jiān)測裝置及元件，含有聯(lián)鎖功能和控制功能的開關裝置，操作面板和狀態(tài)顯示屏等組成。

4、應用案例

4.1煉鋼廠基本情況

某煉鋼廠共有4座轉(zhuǎn)爐，分別對應4臺除塵風機，由于轉(zhuǎn)爐在冶煉過程中會產(chǎn)生大量含有有害物質(zhì)的煙氣，可通過除塵系統(tǒng)先進行凈化，然后再排放到大氣，如果煙氣中煤氣的含量較高，則可以回收再利用。轉(zhuǎn)爐冶煉周期分為八個步驟，分別為：1）兌鐵水，2）加廢鋼，3）降槍吹煉，4）測溫取樣，5）出渣，6）出鋼，7）濺渣，8）二次出渣，其中在第三個步驟降槍吹煉時爐內(nèi)產(chǎn)生的煙氣最多，此時風機也相應的需要高速運行，而其他時間低速運行即可。每個冶煉周期約為30分鐘，其中風機需高速運行時間大概為16分鐘，低速運行時間則為14分鐘左右，特殊情況除外。

4.2數(shù)據(jù)分析

由4.1節(jié)中可知，轉(zhuǎn)爐冶煉一爐鋼鐵需要時間大概為30分鐘，期間高速為1200轉(zhuǎn)，大約運行時間為16分鐘左右，低速大約運行600轉(zhuǎn)，所需時間為14分鐘，傳統(tǒng)采用國產(chǎn)變頻器運行時，電壓為5.5kV，電流為115A，高速時頻率為42Hz。除塵風機全年工作時間大概為8000小時，平均電價按0.6元/kWh計算，那么可以分析得到如下數(shù)據(jù)。

采用國產(chǎn)變頻時電動機的功耗為PG=UI=1.732×5.5×115×0.85=931kW。那么4臺1400kW電動機年損耗電能為：EG1=931×4×8000=2980萬kWh，全年電費為2980×0.6=1788萬元。

采用羅克韋爾A-B Powerflex7000型中壓變頻器后，高速運行時電壓為5.4kV，電流為118A，頻率為42Hz，低速運行時頻率為20Hz。則高速運行時電動機的功率為PGh=UI=1.732×5.4×118×0.85=938kW，電動機在變頻狀態(tài)運行下的功率可由相似定律公式P1/P2=（N1/N2）3計算得到，故低速運行時電動機的功率為：PGl=（20/42）3×938=101kW，故可推算出在變頻調(diào)速運行時，這4臺電動機全年消耗的電量為EG2=（16/30×8000×938×4）+（14/30×8000×101×4）=1752kWh，全年電費為1752×0.6=1051萬元。

由上述分析可知，在采用了中壓變頻調(diào)速技術以后，全年電費節(jié)省了約1788-1051=737萬元，節(jié)電率為737/1788=41.2%。節(jié)能效果相當明顯。

此外，在環(huán)保方面，采用了變頻器技術以后，排出的煙氣完全可以達到相關國家標準，取得了更好的環(huán)保效益。

4.3運行效果總結

通過采用中壓變頻器對除塵系統(tǒng)進行改造以后，系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及經(jīng)濟性都得到了不同程度的提高，主要表現(xiàn)在：

（一）大大的節(jié)約了全年的電費，節(jié)約了能源，提高了冶煉的經(jīng)濟性。

（二）改善了轉(zhuǎn)爐冶煉過程中煙氣排放量及煙氣中有害物質(zhì)的濃度，可達到國家相關標準，取得了很好的環(huán)保效益。

（三）方便了鋼廠工作人員的操作流程，可穩(wěn)定平滑地對排風量進行調(diào)節(jié)。

（四）極大的改善了除塵系統(tǒng)中電動機自動控制效果，并提高了自動控制系統(tǒng)的性能及其可靠性。

（五）可避免大功率電動機在啟動時沖擊力矩對電動機的損害，減輕了工作人員的維護工作量，并延長了電動機的更新周期，從而從側面降低了人力和財力成本。

（六）優(yōu)化了除塵器的運行參數(shù)，從而提高了除塵器的除塵效率。

5、結束語

傳統(tǒng)煉鋼廠中轉(zhuǎn)爐除塵系統(tǒng)由于設備陳舊等原因，導致車間煙塵污染等問題，對此，本文研究了鋼廠內(nèi)除塵系統(tǒng)改造升級方案并給出了實際應用案例。首先介紹了風機變頻調(diào)速的原理，其次研究了中壓變頻器在鋼廠除塵系統(tǒng)中的應用方案并分析了預期效果，最后通過實際項目應用案例證明了中壓變頻器在改造除塵系統(tǒng)中的實用性。結果表明，利用中壓變頻器對除塵系統(tǒng)進行改造后，可提高機組運行的經(jīng)濟性，節(jié)約了機組運行的全年耗電量，從而降低了生成成本，另外，極大的改善了除塵效果，使得排放煙氣可達到國家規(guī)定標準，總而言之，中壓變頻器的采用可取得良好的環(huán)保及節(jié)能效果。

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