中壓變頻器在鋼鐵廠中的節(jié)能應(yīng)用探索

王興海

摘 要：為推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還要加強(qiáng)鋼鐵廠各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)能改造。而采用中壓變頻器，可以滿足鋼鐵廠水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的變頻調(diào)速節(jié)能改造需求，所以文章對(duì)中壓變頻器在鋼鐵廠中的節(jié)能應(yīng)用問(wèn)題展開(kāi)了分析。從分析結(jié)果來(lái)看，通過(guò)使用中壓變頻改造鋼鐵廠每年可以節(jié)約大額電能，可以為鋼鐵廠帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：中壓變頻器；鋼鐵廠；節(jié)能改造

中圖分類號(hào)：TN773 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）21-0161-02

Abstract： In order to promote the sustainable development of the iron and steel industry， it is necessary to strengthen the energy-saving transformation of each production link in the iron and steel plant. The adoption of medium-voltage converter can meet the needs of energy-saving transformation of water pump， fan and other equipment in iron and steel plant， so this paper analyzes the application of medium-voltage frequency converter in iron and steel plant. From the analysis results， it can save a large amount of electric energy every year by using medium voltage frequency conversion transformation of steel plant， and can bring higher economic and social benefits to the iron and steel plant.

Keywords： medium voltage converter； iron and steel plant； energy-saving transformation

引言

伴隨著能源的日漸緊缺，人們對(duì)節(jié)能問(wèn)題也給予了更多重視。而在鋼鐵廠日常運(yùn)營(yíng)中，需要大量的風(fēng)機(jī)、水泵類用電設(shè)備采用工頻運(yùn)行，將產(chǎn)生大量的資源和電能損耗。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)中壓變頻器在鋼鐵廠中的節(jié)能應(yīng)用分析，以便更好的解決鋼鐵廠的電能不必要損耗問(wèn)題。

1 變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)概述

所謂的變頻調(diào)速技術(shù)，就是通過(guò)改變交流電源頻率進(jìn)行電機(jī)無(wú)極調(diào)速控制的技術(shù)。結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作原理可知，無(wú)論是風(fēng)機(jī)還是水泵，都需要將電機(jī)軸功率轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能，達(dá)到驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。針對(duì)這類設(shè)備，直接采用工頻電壓進(jìn)行供電，設(shè)備將以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，需要結(jié)合工作最大需求量完成電機(jī)設(shè)計(jì)，所以電機(jī)工作富余量較大。但在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，通常不需要以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)這一情況，還要采用液力耦合器、閥門等裝置進(jìn)行壓力流量調(diào)節(jié)，此過(guò)程則將產(chǎn)生較大的能量損失。采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以使閥門處在全開(kāi)狀態(tài)，通過(guò)直接調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行介質(zhì)輸送壓力和流量的調(diào)整，所以能夠從設(shè)備用電源頭上進(jìn)行能量節(jié)約[1]。從變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)構(gòu)成上來(lái)看，包含變頻器、整流變壓器、邏輯控制器等設(shè)備。其中，整流變壓器與需要變頻柜配套，用于為變頻裝置提供電源。而邏輯控制器負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)連鎖和邏輯控制，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、通訊等功能。變頻器作為系統(tǒng)核心組成部分，可以在電機(jī)調(diào)速控制和保護(hù)上得到應(yīng)用，確保電機(jī)平滑、可靠起動(dòng)，避免電機(jī)、電網(wǎng)等受到?jīng)_擊。因此在應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)時(shí)，還要加強(qiáng)變頻器的選用。

2 中壓變頻器在鋼鐵廠中的節(jié)能應(yīng)用

2.1 鋼鐵廠變頻節(jié)能需求

在鋼鐵廠中，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備進(jìn)行了大量使用。比如在煉鐵工序中，包含助燃風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、冷卻循環(huán)給水泵等設(shè)備。在軋鋼作業(yè)中，包含冷卻風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)等設(shè)備。這些設(shè)備作為鋼鐵廠的通用機(jī)械，將產(chǎn)生大量電能損耗。就目前來(lái)看，設(shè)備采用的電機(jī)多為交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)量、水流調(diào)節(jié)。但是，鋼鐵廠的工藝設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備間存在較大的運(yùn)行工況差異，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，需要結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)荷率確定節(jié)電效果。在電機(jī)運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況差距較大的情況下，節(jié)電效果往往更好。就目前來(lái)看，鋼鐵廠大多數(shù)用電設(shè)備并未采用變頻技術(shù)。而可以使用變頻技術(shù)的設(shè)備大多為公輔設(shè)施，改造后對(duì)生產(chǎn)線的影響不大，不會(huì)受到工藝、產(chǎn)品產(chǎn)量等方面的限制，所以技術(shù)應(yīng)用的獨(dú)立性較強(qiáng)。所以在實(shí)際改造過(guò)程中，還要重點(diǎn)從環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益等方面確定技術(shù)應(yīng)用的有效性。值得注意的是，在節(jié)能改造過(guò)程中，必須要對(duì)改造取得的效益展開(kāi)分析。因?yàn)殇撹F廠通常擁有較大的建設(shè)投資規(guī)模，通常在幾十億之上，每日的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用都較高。如果采用的節(jié)能改造技術(shù)僅能在小范圍適用，將很難獲得規(guī)模效益。因此在對(duì)鋼鐵廠進(jìn)行變頻改造過(guò)程中，需要加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益的分析。

2.2 節(jié)能采用的中壓變頻器

2.2.1 中壓變頻器。中壓變頻器的種類有較多中，按照中間環(huán)節(jié)是否存在直流可以劃分為交交變頻器和交直交變頻器，結(jié)合直流性質(zhì)可以劃分為電流型變頻器和電壓型變頻器等等。而按照電壓等級(jí)，可以劃分為中壓變頻器和通用變頻器。從原理上來(lái)看，大多就是利用面積等效原理。針對(duì)面積相等，但形狀不同的窄脈沖，在慣性條件下，將產(chǎn)生基本相同的輸出響應(yīng)波形效果[2]。因此采用中壓變頻器，可以通過(guò)在電機(jī)繞組端施加窄脈沖，從而按正弦規(guī)律進(jìn)行系列電壓脈沖的調(diào)制，促使回路中電流波形為正弦波。對(duì)于變頻器來(lái)講，中間環(huán)節(jié)直流將對(duì)輸入功率產(chǎn)生影響。因?yàn)殡妷盒偷淖冾l器中間直流環(huán)節(jié)擁有大電流，電機(jī)無(wú)功電流由電容提供，電網(wǎng)間沒(méi)有無(wú)功交換，所以能夠使高功率因素得到保證。如果采用電流型，直流環(huán)節(jié)為大電感，電網(wǎng)與電機(jī)間將產(chǎn)生無(wú)功功率交換，無(wú)法保證高功率。一旦電機(jī)負(fù)荷減小，功率將隨之降低。因此在采用中壓變頻器時(shí)，需要采用電壓源型電容，獲得較高的輸入功率因數(shù)。

2.2.2 變頻器的選用?；裟犴f爾（Honeywell）變頻器在自動(dòng)調(diào)頻領(lǐng)域始終占據(jù)領(lǐng)先地位，在自動(dòng)化控制上采用了獨(dú)特的閉環(huán)控制思想，能夠大幅度降低能耗，并使工藝控制水平得到改善，同時(shí)達(dá)到減少電網(wǎng)沖擊、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和提高生產(chǎn)效率等作用，可用于進(jìn)行風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、壓縮機(jī)等多種設(shè)備的變頻控制。霍尼韋爾的SolidDrive系列變頻調(diào)速裝置調(diào)速范圍為100：1，變換矢量控制的靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度能夠達(dá)到0.1%，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為150%，整機(jī)效率超出了97%，逆變效率超出了98.5%，平均無(wú)故障工作時(shí)間超出100000小時(shí)，故障修復(fù)時(shí)間平均不超出10min。采用霍尼韋爾變頻器，可以完成對(duì)電壓、電流、功率因素、效率、頻率等多種狀態(tài)變量的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)DSP全數(shù)字控制，同時(shí)為CDMA等遠(yuǎn)程監(jiān)控功能提供支持。此外，該種變頻器擁有完善保護(hù)功能，如電機(jī)過(guò)壓保護(hù)、輸入過(guò)壓保護(hù)、變壓器過(guò)熱保護(hù)等。因此在鋼鐵廠節(jié)能保護(hù)方面，可以選用霍尼韋爾SolidDrive系列變頻器。寶鋼股份梅鋼公司煉鐵廠4#高爐熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)就是采用霍尼韋爾SolidDrive系列10kV變頻器驅(qū)動(dòng)1400kW助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)。

2.3 中壓變頻器的節(jié)能應(yīng)用

2.3.1 在風(fēng)機(jī)電機(jī)控制中的應(yīng)用。在鋼鐵廠的節(jié)能改造工作中應(yīng)用中壓變頻器，可以實(shí)現(xiàn)高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)助燃風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造。在煉鐵工藝生產(chǎn)過(guò)程中，采用鐵礦石和焦炭等進(jìn)行鐵水的冶煉，高爐需要大量高溫氣流，需要由空氣經(jīng)熱風(fēng)爐加熱產(chǎn)生。助燃風(fēng)機(jī)是熱風(fēng)爐工作的重要設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)，煉鐵廠鐵廠采用電爐鋼鐵系統(tǒng)進(jìn)行煉鋼操作，利用系統(tǒng)配備的除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行煙氣中污染物去除。但是在實(shí)際的生產(chǎn)中，助燃風(fēng)機(jī)采用不同的的風(fēng)量供給熱風(fēng)爐，因此鋼鐵廠采用了風(fēng)機(jī)出口電動(dòng)風(fēng)門和液力耦合器進(jìn)行除塵風(fēng)機(jī)調(diào)速調(diào)風(fēng)。但是采用該種裝置，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由低向高轉(zhuǎn)變過(guò)程中，存在明顯延遲，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法快速響應(yīng)。此時(shí)，裝置中電流較大，容易引起系統(tǒng)跳閘，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響。而電動(dòng)風(fēng)門的控制精度較差，只能在40%-90%范圍內(nèi)調(diào)速。在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流。在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)丟轉(zhuǎn)問(wèn)題。此外，在調(diào)速過(guò)程中，需要利用導(dǎo)管對(duì)工作腔液量進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)改變扭矩和輸出轉(zhuǎn)速滿足不同工況要求，因此需要經(jīng)常進(jìn)行供油系統(tǒng)維修養(yǎng)護(hù)。一旦耦合器發(fā)生故障，風(fēng)機(jī)將無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行[3]。而長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，將導(dǎo)致偶合器嚴(yán)重漏油，給環(huán)境帶來(lái)較大污染。生產(chǎn)中，也容易產(chǎn)生環(huán)保問(wèn)題，所以無(wú)法滿足系統(tǒng)生產(chǎn)需要。在節(jié)能改造的過(guò)程中，針對(duì)煉鐵廠采用的YKK630-4 1400kW助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)，采用SolidDrive系列變頻器可以完成軟啟動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效變頻。在煉鐵廠生產(chǎn)的過(guò)程中，在進(jìn)行高爐煉鐵的過(guò)程中，可以結(jié)合鐵水煉制時(shí)熱風(fēng)爐助燃風(fēng)量需求完成頻率適當(dāng)選擇，從而根據(jù)產(chǎn)生煙氣量和溫度進(jìn)行風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，達(dá)到更好的助燃效果。采用該方法進(jìn)行風(fēng)機(jī)電機(jī)控制，可以使熱風(fēng)爐助燃系統(tǒng)電能消耗量得到顯著減少，同時(shí)使系統(tǒng)工作效率得到提高。通過(guò)改造可以使熱風(fēng)爐助燃系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速并消除電機(jī)啟動(dòng)電流沖擊對(duì)電網(wǎng)的影響，所以能夠降低系統(tǒng)功耗，獲得理想的節(jié)能效果。

2.3.2 在水泵電機(jī)控制中的應(yīng)用。鋼鐵廠在煉鐵、煉鋼過(guò)程中，需要利用使泵供應(yīng)大量的水。但是在不同工藝中，用水量存在一定的差別。煉鐵廠采用固定轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行水泵驅(qū)動(dòng)，并采用控制閥對(duì)管道流量變化進(jìn)行控制，將導(dǎo)致用水量大的情況下，水泵以額定條件運(yùn)行，運(yùn)行效率較高。但是在用水量少的情況下，利用調(diào)節(jié)閥減小出水量，將導(dǎo)致水泵運(yùn)行與水量間出現(xiàn)的壓差較大[4]。此時(shí)，水泵依然以額定功率運(yùn)行，將導(dǎo)致大量能量損失。針對(duì)煉鐵廠水泵運(yùn)行問(wèn)題，還要采用中壓變頻器進(jìn)行水泵電機(jī)控制。采用該種方法，能夠使水泵電機(jī)處在可變速條件下，確保水泵運(yùn)行特性曲線與系統(tǒng)流量變化相匹配。利用壓力傳感器，可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。而借助變頻器進(jìn)行壓力值的比較和計(jì)算，并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為調(diào)頻信號(hào)，則能完成水泵電機(jī)電源頻率的適時(shí)調(diào)整，有效避免水泵能量損失，達(dá)到節(jié)能控制的目標(biāo)。

從節(jié)能改造效果來(lái)看，改造前熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)在熱風(fēng)爐正常燒爐及換爐時(shí)都是全速全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1440轉(zhuǎn)/分，功率為1400kW，耗費(fèi)電能1400kWH，在使用變頻改造后正常燒爐轉(zhuǎn)速是全速全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，換爐時(shí)轉(zhuǎn)速僅為平時(shí)的三分之一即500轉(zhuǎn)/分左右，根據(jù)風(fēng)機(jī)功率前后比與轉(zhuǎn)速前后比成三次方關(guān)系，故助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)功率的二十七分之一，相應(yīng)節(jié)約巨大的電能，產(chǎn)生了非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，在鋼鐵廠節(jié)能改造方面，可以采用中壓變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的變頻調(diào)速控制，達(dá)到改善設(shè)備運(yùn)行工況的目的。采用該種變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，可以通過(guò)調(diào)整電機(jī)電源頻率從供電方面實(shí)現(xiàn)電能節(jié)省，每年約能節(jié)省大量的電能費(fèi)用，所以能夠?yàn)殇撹F廠帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此相信在鋼鐵廠推行清潔生產(chǎn)理念創(chuàng)建城市鋼鐵廠的過(guò)程中，該種技術(shù)能夠得到較好的應(yīng)用。

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