閃速爐排煙風(fēng)機(jī)高壓變頻器改造

胡 濤

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424）

江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠熔煉車(chē)間二系統(tǒng)閃速爐精礦反應(yīng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵及熱量，閃速爐排煙排風(fēng)機(jī)是為了保證閃速爐的爐內(nèi)壓力保持在40 Pa左右。閃速爐煙塵通過(guò)余熱鍋爐吸收熱量，然后進(jìn)入沉塵室重力收塵，再經(jīng)過(guò)閃速爐電收塵器收塵，最后把煙氣送往至硫酸車(chē)間制酸。在上述煙氣流程的送風(fēng)、排風(fēng)、收塵系統(tǒng)中，閃速爐排煙風(fēng)機(jī)使得閃速爐、余熱鍋爐以及閃速爐電收塵的煙氣暢通無(wú)阻，并形成負(fù)壓，避免煙氣逸出影響現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境［1］。

熔煉二系統(tǒng)1#閃速爐排煙風(fēng)機(jī)變頻器［2］是上?？七_(dá)高壓變頻器從2006年開(kāi)始投運(yùn)，迄今已累計(jì)運(yùn)行近10 a。高壓變頻器由主回路和控制回路兩大部分組成，由于主回路的非線性，變頻器本身就是諧波干擾源，所以對(duì)電源側(cè)和輸出側(cè)的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生影響。與主回路相比，變頻器的控制回路卻是小能量、弱信號(hào)回路，極易遭受其它裝置產(chǎn)生的干擾，造成變頻器無(wú)法工作［3］。功率單元模塊作為高壓變頻器的關(guān)鍵元器件，是存在使用壽命的。在閃速爐正常作業(yè)生產(chǎn)中，一旦因閃速爐高壓變頻器電氣元器件老化引發(fā)重故障停機(jī)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)銅酸系統(tǒng)正常生產(chǎn)中斷，將造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。

1 改造狀況及原因分析

熔煉二系統(tǒng)閃速爐排煙風(fēng)機(jī)現(xiàn)使用2臺(tái)，兩臺(tái)排煙風(fēng)機(jī)為30萬(wàn)t試生產(chǎn)安裝的6 kV高壓風(fēng)機(jī)，采用的為科達(dá)變頻控制調(diào)速系統(tǒng)［4～6］。1#閃速爐排煙風(fēng)機(jī)高壓變頻器故障率較高，且性能難以滿(mǎn)足閃速爐日益緊張的作業(yè)。

1#閃速爐排風(fēng)機(jī)變頻器使用科達(dá)國(guó)產(chǎn)變頻器，在使用中存在以下問(wèn)題：

1.功率單元從投產(chǎn)到現(xiàn)在已使用了整整8 a，功率單元內(nèi)的電解電容使用壽命已到，需整套更換。每臺(tái)功率單元成本為5萬(wàn)元/臺(tái)，共有15個(gè)功率單元，成本總計(jì)要15×5＝75（萬(wàn)元）。

2.該套變頻器從50 Hz降速到15 Hz，降速過(guò)程要15 min左右，響應(yīng)速度慢，已經(jīng)不能滿(mǎn)足正常生產(chǎn)需求。

3.變頻器在調(diào)速過(guò)程中，功率單元本身的電壓調(diào)整也會(huì)報(bào)出輕故障報(bào)警。

4.許多功率單元修復(fù)回來(lái)，使用一段時(shí)間后又會(huì)自動(dòng)退出保護(hù)。維修一臺(tái)功率單元成本在2萬(wàn)元左右，維修成本高且質(zhì)量得不到有力保證。

5.科達(dá)高壓變頻器部分備件已升級(jí)，無(wú)法與現(xiàn)場(chǎng)高壓變頻器匹配運(yùn)行，工控機(jī)顯示器界面出現(xiàn)故障報(bào)警，無(wú)法運(yùn)行。

6.目前投入工作的2#閃排變頻器有8塊功率單元未維修，2塊返修功率單元，存在損壞風(fēng)險(xiǎn)。1#閃速爐排煙風(fēng)機(jī)高壓變頻器可以作為2#閃速爐備件，例如功率單元模塊、工控一體機(jī)等。

因?yàn)楦邏鹤冾l器是由各種電子電氣元器件組成的系統(tǒng)，受到現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境等因素影響，不可避免會(huì)發(fā)生電氣元器件老化、母線電壓波動(dòng)等，引發(fā)相關(guān)故障，造成高壓變頻器重故障停機(jī)［7］，如圖1、圖2所示。在正常生產(chǎn)過(guò)程中，一旦閃速爐排煙風(fēng)機(jī)高壓變頻器發(fā)生重故障停機(jī)，將對(duì)銅酸系統(tǒng)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

圖1 變頻器組件壽命

圖2 溫度對(duì)變頻器可靠性影響

2 改造技術(shù)方案

高壓變頻器選型采用高壓6 kV電壓等級(jí)，使用原有的高壓合閘控制回路和電機(jī)。采用6 kV電源—高壓變頻器—電機(jī)的控制方式。

2.1 風(fēng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀況

改造驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其拖動(dòng)負(fù)載具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)相關(guān)參數(shù)

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻技術(shù)改造采用施耐德研制的ATV1200變頻調(diào)速系統(tǒng)，它采用了先進(jìn)的變頻主電路和控制回路，同時(shí)還具備精度高、效率高、節(jié)能效果好、特性硬等優(yōu)點(diǎn)。

改造根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行要求，共包含控制柜、變壓器柜、功率單元柜，整套系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成

2.3 ATV1200高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

2.3.1 高效無(wú)諧波

ATV1200高壓變頻器采用多脈沖移相整流變壓器技術(shù)，能夠有效降低電源側(cè)的諧波電流，使得諧波含量＜4%，符合IEEE 519-1992標(biāo)準(zhǔn)。能夠滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)諧波的嚴(yán)苛要求，也提高了功率因數(shù)，使得功率因數(shù)＞0.96。采用多單元串聯(lián)電平技術(shù)，無(wú)需輸出濾波器，輸出電壓波形近似正弦波，滿(mǎn)足長(zhǎng)距離惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)高壓電纜、電機(jī)絕緣無(wú)損害［8］。ATV1200變頻器通過(guò)改變電機(jī)定子的頻率與電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)與調(diào)速，具有調(diào)整范圍大、調(diào)速比可達(dá)20∶1，起動(dòng)及制動(dòng)性能好，自動(dòng)平滑加減速及快速制動(dòng)保護(hù)性能完善，且能實(shí)現(xiàn)故障判斷顯示。

2.3.2 抗電源干擾強(qiáng)

一次電壓輸入側(cè)電壓在90%～110%范圍波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可以滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行；一次輸入電源側(cè)電壓低于90%時(shí)，系統(tǒng)也可以持續(xù)運(yùn)行；高壓變頻器同時(shí)具備二次電壓監(jiān)測(cè)功能，能夠保持穩(wěn)定的輸出，可以實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

2.3.3 優(yōu)良的可靠性設(shè)計(jì)

主回路、控制回路的冗余設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)的可靠性，SOA（Safe Operation Area）設(shè)計(jì)保證各器件的電、熱冗余。新功率半導(dǎo)體件 IGCT，綜合了 GTO和IGBT的優(yōu)點(diǎn)，功率密度大，結(jié)構(gòu)上采用串聯(lián)方式，可靠性高。

2.3.4 友好的人機(jī)界面

觸摸液晶面板：運(yùn)行狀態(tài)顯示、故障指示、歷史記錄、運(yùn)行/保護(hù)參數(shù)設(shè)置、操作人員權(quán)限設(shè)置；RS232接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)直接連接，方便讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、下載定值、軟件升級(jí)。

2.3.5 自適應(yīng)啟制動(dòng)

最優(yōu)的啟動(dòng)時(shí)間控制，根據(jù)預(yù)先設(shè)置和輸出電流的反饋，保證系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中能夠持續(xù)輸出最大能量，最大限度地提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。優(yōu)化制動(dòng)時(shí)間控制，根據(jù)設(shè)置和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際負(fù)載情況，最大限度地縮短停機(jī)時(shí)間。

2.3.6 強(qiáng)大的系統(tǒng)集成能力

GPRS功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程在線分析、運(yùn)行數(shù)據(jù)備份、系統(tǒng)升級(jí)、故障診斷功能。具備工業(yè)以太網(wǎng)及串行（隔離RS485）接口，適用 MODBUS、PROFIBUS或其它通訊協(xié)議，滿(mǎn)足與 DCS（Distributed Control System）、LCU（Local Control System）、PLC及其它自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊要求，使變頻調(diào)速裝置完全融入到生產(chǎn)過(guò)程控制中。

3 改造后效果分析

1#閃速爐排煙風(fēng)機(jī)高壓變頻器改造后，經(jīng)過(guò)一年多投入生產(chǎn)運(yùn)行，1#閃速爐排風(fēng)機(jī)可以使電機(jī)從零速到額定轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)調(diào)速。這樣既滿(mǎn)足工藝要求，又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。變頻器輸入整流采用36脈沖，電網(wǎng)諧波滿(mǎn)足IEEE519要求。無(wú)速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制，不需要對(duì)電壓、頻率分別控制的PWM調(diào)制器，沒(méi)有固定的斬波頻率，具有很高的速度和轉(zhuǎn)矩控制精度。改造后1#閃速爐排煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行趨勢(shì)穩(wěn)定，至今零故障，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

閃速爐排煙風(fēng)機(jī)耗能與轉(zhuǎn)速的平方成正比，根據(jù)1#閃速爐排煙風(fēng)機(jī)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為990 r/min計(jì)算，可節(jié)約大約40%（估算值）的電能。閃速爐排風(fēng)機(jī)控制閃速爐爐內(nèi)壓一般要求風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在400～600 r/min之間，電機(jī)額定功率為425 kW，功率因數(shù)為0.82，全年運(yùn)行時(shí)間大約8 000 h。全速運(yùn)行時(shí)耗電量：425×0.82×8 000＝2 788 000（kWh）。

采用ATV1200高壓變頻器調(diào)速控制可節(jié)能：2 788 000×0.4＝1 115 200（kWh）。電價(jià)按 0.25元/kWh計(jì)算，每年可節(jié)約費(fèi)用：1 115 200×0.25＝278 800（元）。8年可節(jié)約電費(fèi)：278 800×8＝2 230 400（元），投入的成本早已收回。

4 結(jié) 論

1#閃速爐排風(fēng)機(jī)高壓變頻器改造，可以降低閃速爐排風(fēng)機(jī)的故障率，同時(shí)也提高了閃速爐排煙風(fēng)機(jī)響應(yīng)速度，減少因電氣故障對(duì)閃速爐作業(yè)率的影響。原有的1#閃速爐排煙風(fēng)機(jī)高壓變頻器電氣元器件可作為2#閃速爐排煙風(fēng)機(jī)高壓變頻器的備件，直接降低了維護(hù)、維修備品備件成本，更能適應(yīng)公司三年長(zhǎng)周期生產(chǎn)作業(yè)的要求。