本文結(jié)合電爐生產(chǎn)的實際工況,介紹了山東新風光公司研制生產(chǎn)的單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器在湖北新冶鋼鐵廠4#電爐除塵風機中的應用。通過改造,實現(xiàn)了電爐除塵風機的高效運行,達到了節(jié)能降耗的目的。
關(guān)鍵詞:高壓大功率變頻器 單元串聯(lián)多電平 節(jié)能
一 .引言:
隨著世貿(mào)組織的加入和市場經(jīng)濟的不斷加劇,節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)提高產(chǎn)品市場占有率 、 競爭力的有效手段之一。而高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟,使得該項技術(shù)廣泛應用于冶金、石油、化工、電力、水泥、給排水、制藥、造紙、污水處理等各個行業(yè)。湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠正是在這種形勢下,對電爐除塵系統(tǒng)進行高壓變頻技術(shù)研究改造的。電爐主要是通過用廢鋼、鐵合金和部分渣料進行配料冶煉,根據(jù)不同的鋼種要求,可以接受高炭鉻鐵水,然后熔制出碳鋼或不銹鋼鋼水供煉鑄用。電爐在生產(chǎn)過程中,產(chǎn)生大量煙塵,污染環(huán)境,根據(jù)國家法規(guī),需除塵處理。電爐冶煉一般分熔化期、氧化期和還原期,其中氧化期強化脫炭,在上述三個冶煉期中,氧化期產(chǎn)生的煙氣量最大,含塵濃度和煙氣溫度最高。 因此,電爐除塵系統(tǒng)按照氧化期的最大煙塵排量進行設計,吹氧時期占整個煉鋼周期的 40%左右。此時風機處于滿載運行,而其它時間風機處于輕載工況。改造前,不論電爐處于哪一個冶煉周期中,除塵風機均全速運行,風量調(diào)節(jié)采用入口擋板開度調(diào)節(jié),效率低,功耗大,大量的電能白白浪費在擋板上,急需對原電爐除塵風機進行節(jié)能改造。
二.原系統(tǒng)工藝簡介:
湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠 4# 電爐為 10t 偏芯交流電爐,除塵器系統(tǒng)采用 TFMC 布袋式除塵器。 4# 電爐的煉鋼周期為 2 小時 20 分鐘,其中裝料 5~10 分鐘,送電熔化 40~60 分鐘,吹氧 50~80 分鐘,出鋼 3~5 分鐘,在電爐不同的生產(chǎn)階段,電爐產(chǎn)生的煙氣量和煙氣溫度不同,且差異較大。加料過程中,主要是裝料時廢鋼及渣料產(chǎn)生的揚塵,需要的除塵風量不大,要求粉塵不擴散,不污染環(huán)境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱,引發(fā)可燃廢棄物燃燒產(chǎn)生廢氣。此時,電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài),要求煙塵能夠及時排出,又不能過多的帶出爐體熱量,以保證煉鋼周期。而在吹氧周期,不僅要求除塵系統(tǒng)能夠及時將煙塵排出,又必須保證爐體有合適的吹煉溫度,在沖渣出鋼時,主要排放物是沖渣產(chǎn)生的水蒸氣和少量廢氣。通過對 4# 電爐冶煉工藝分析:電爐在煉鋼不同的階段對除塵風量的大小有明顯的不同,以吹氧冶煉最大,加料除塵為最小,鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風機的運行方式和設備特點,對除塵風機的控制制定了改造方案。原系統(tǒng)設備參數(shù)如下: 2 .1原系統(tǒng)設備參數(shù)
除塵風機參數(shù): 電動機參數(shù): 熱變電阻柜參數(shù)
型號 CTY20-246-12 型號 YKS 500-8-8 型號 HTR3-100/6
流量 380000m 3 /h 額定功率 630KW 額定電壓 6000V
風壓 37000Pa 額定電壓 6000V 額定電流 90A
軸轉(zhuǎn)速 730r/min 額定電流 76 .5 A 額定頻率 50HZ
軸功率 630KW 額定轉(zhuǎn)速 740r/min 額定功率 700KW
電動機參數(shù) 額定功率因數(shù) 0 . 82
型號 YKS 500-8-8 額定頻率 50HZ
三.高壓變頻調(diào)速系統(tǒng):
湖北新冶鋼鐵有限公司經(jīng)多方考察,比較性價比,最終選定我公司生產(chǎn)的風光牌 JD-BP37 -800F 功率單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器,對 4# 電爐除塵風機進行調(diào)速改造。
3 .1 風光牌 JD-BP37 -800F 高壓變頻器主要性能指標
變頻器功率 800KW 額定輸出電流 100A
輸入頻率 50HZ ± 5HZ 額定輸入電壓 6KV
允許電壓波動 ±20% 輸入功率因數(shù) ≥ 0.98
輸出頻率范圍 0~50HZ 輸出電壓范圍 0~6KV
頻率分辨率 0 .01HZ 加速時間可由用戶生產(chǎn)工藝設定
減速時間 可由用戶生產(chǎn)工藝設定 變頻器效率 ≥96%
過載能力 100% 連續(xù) 160% 連續(xù) 1min 220% 允許 1.5S
防護等級 IP20
3.2 JD-BP37 型高壓變頻調(diào)速器主要技術(shù)性能
3.2.1 高——高電壓源型變頻器,直接 6KV 輸入,直接 6KV 輸出,無須任何輸出變壓器或濾波器,適配于普通高壓電動機,對電機、電纜絕緣無損害。
3.2.2 輸入功率因數(shù)高,電流諧波小,無須功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。
3.2.3 單元電路模塊化設計,維護簡單,互換性好。
3.2.4 輸出階梯正弦 PWM 波形。
3.2.5 高壓主回路與控制器之間為光纖連接,強弱電隔離,安全可靠。
3.2.6 完善的故障檢測,精確的故障保護及準確的定位顯示和報警。
3.2.7 內(nèi)置 PLC ,易于改變控制邏輯關(guān)系,可靈活選擇現(xiàn)場控制 / 遠程控制,適應現(xiàn)場多變需求。
3.2.8 采用載波移相控制技術(shù),大大抑制了輸出電壓的諧波成分,保證輸出波形是完美正弦波。
3.2.9 控制電源與高壓電相互獨立,無高壓可以檢測變頻器輸出,便于現(xiàn)場調(diào)試以及培訓操作人員,便于維護。
3.2.10 采用準優(yōu)化 SPWM 調(diào)制技術(shù),電壓利用率高。
3.2.11 功率單元經(jīng) 24 小時高溫老化、 150 %負載試驗,可靠性高。
3.2.12 中文 Windows 操作界面,彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善,系統(tǒng)包括上位機(商用 PC 機)、下位機(工控機)、單片機。其中單片機給用戶提供一個 4 位 LED 數(shù)碼顯示屏和一個 12 鍵的小鍵盤操作平臺,可對變頻器進行全部操作,包括參數(shù)設置和各種運行指令。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺,其功能更齊全,包括參數(shù)設定、功能設定、運行操作、運行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等等。上位機(商用 PC 機)放在總控室,可對多臺變頻器進行遙測、遙控。若只有一臺變頻器,上位機可省,或讓客戶自定。
3.2.13 可接收和輸出多路工業(yè)標準信號。
3.2.14 可打印輸出運行報表 。
3.3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
風光牌 JD-BP37 型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接 “高 -高”變換方式,屬電壓源型,采用功率單元多電平串聯(lián)方式,以最新型西門子IGBT為主控器件,全數(shù)字化控制, 彩色液晶觸摸屏控制,以高可靠性、易操作、高性能為設計目標的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器。 它對電網(wǎng)諧波污染小,輸入電流諧波畸變小于 1% ,直接滿足 IEEE519-1992 的諧波抑制標準,輸入功率因數(shù)高,不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置;輸出波形質(zhì)量好,不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出 dv/dt 、共模電壓等問題,不必加輸出濾波器,就可以使用普通的異步電機 其系統(tǒng)由移相變壓器,功率單元和控制器組成。其工作原理如下:
( 1 )電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電,功率單元為三相輸入,單相輸出的交直交 PWM 電壓源型逆變結(jié)構(gòu),相鄰功率單元的輸出端串接起來,形成 Y 接結(jié)構(gòu),實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出,供給高壓電動機。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)每相由 6 個功率單元串聯(lián)而成,每個功率單元承受全部的電機電流、提供 1/6 相電壓和 1/18 的輸出功率。
( 2 )每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電,功率單元之間及變壓器二次繞組 之間相互絕緣,二次繞組采用延邊三角形接法,實現(xiàn)多重化,以達到降低輸入諧波電流的目的。給功率單元供電的二次繞組每 3 個一組,分為 6 個不同的相位組。輸入電流波形非常接近于正弦波,總的諧波電流失真小于 1% ,輸入的綜合功率因數(shù)可達 0.98 以上。
( 3 )逆變器輸出采用多電平移相式 PWM 技術(shù),同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓,但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定的電角度,實現(xiàn)多電平 PWM ,輸出電壓非常接近于正弦波,每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小,所以 dv/dt 很小,功率單元采用較低的開關(guān)頻率,以降低開關(guān)損耗,提高效率,由于采用移相式 PWM ,電機電壓的等效開關(guān)頻率大大提高,且輸出電平數(shù)增加。風光牌 JD-BP37 -800F 高壓變頻器,輸出相電壓均為 13 電平,線電壓均為 25 電平,輸出等效開關(guān)頻率為 6kHz ,電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形,降低輸出諧波,由諧波引起的電機發(fā)熱、噪音和轉(zhuǎn)矩脈動都大大降低,因此對電機沒有特殊要求,可直接用于普通異步電機。
四.系統(tǒng)控制方案:
湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠 4# 煉鋼電爐,配套除塵風機一臺(功率為 630KW )。除塵風機為滿足電爐不同運行工況下的風量調(diào)節(jié),對除塵風量的控制采用分段調(diào)速的方式,分六段進行控制。變頻器運行頻率分別設定為 20HZ 、 30HZ、35HZ、40HZ、45HZ、50HZ。除塵風機電氣系統(tǒng)主回路接線圖如圖 3 示,為一拖一控制,設置工 / 變頻切換柜,以保證除塵風機安全可靠運行。變頻器實現(xiàn)就地 / 遠程調(diào)速控制。當選擇遠程操作時,控制權(quán)交給電爐現(xiàn)場操作室;當選擇就地時,控制權(quán)交給變頻器,可實現(xiàn)多段速調(diào)節(jié),各種參數(shù)均可在觸摸屏上顯示,操作簡單明了。
五.現(xiàn)場運行情況:
2004年2月,湖北新冶鋼鐵有限公司和我公司簽定高壓變頻器購貨合同,型號為JD-BP37-800F。
2004 年 3 月 13 日 ,開始安裝就位;
2004 年 3 月 18 日 ,調(diào)試完畢;
2004 年 3 月 23 日 ,正式投入運行,整個變頻器安裝調(diào)試周期都很短,為 4# 電爐正常生產(chǎn)提供了有利的保證。
高壓變頻器控制除塵風機,與原電爐除塵風機比較,主要有以下優(yōu)點:
* 提高了電爐除塵風機系統(tǒng)運行效率,實現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的最佳工況運行。
* 提高了產(chǎn)品質(zhì)量,根據(jù)電爐生產(chǎn)工藝的要求,可適時改變除塵風量,有助于改善爐內(nèi)吹煉工況,提高出鋼品質(zhì)。
* 縮短煉鋼時間,提高了出鋼產(chǎn)量。據(jù)實測,每煉鋼周期平均比以前減少了 10 分鐘左右,提高了生產(chǎn)效率。
* 減少了維護工作量和維護費用,延長了設備的使用壽命。原舊電爐除塵風機在運行過程中,風機和電機始終滿負荷運行,維護工作量大,檢修費用高。采用變頻技術(shù)調(diào)速后,除塵設備隨生產(chǎn)工藝變負荷運行,大大降低了除塵設備負荷率,延長了除塵風機、電機、除塵器等設備的使用壽命。
* 變頻器具有多項保護功能,十分完善。與原來舊系統(tǒng)相比較,變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能,更精確地保護了電機。
* 調(diào)速范圍寬,調(diào)速精度高。除塵風機的風量經(jīng)常需要根據(jù)工藝的需要變化,與過去擋板調(diào)節(jié)風量相比較,采用變頻拖動風機可以在 2~50HZ范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)精度高,調(diào)節(jié)頻率波動可保持在0.1~0.01HZ范圍內(nèi),便于實現(xiàn)除塵系統(tǒng)自動化控制。
* 節(jié)能效果顯著,大大降低了噸鋼電耗。
為了對除塵系統(tǒng)變頻改造后的效果進行評價,在系統(tǒng)投入正常運行一年后對設備實際使用和節(jié)電情況進行了測定和數(shù)據(jù)分析。隨機抽取一個正常工作日,將系統(tǒng)切換工頻運行采用入口擋板調(diào)節(jié)風量,網(wǎng)側(cè)計量耗電量,然后將系統(tǒng)切換變頻運行,,計量耗電量,
具體數(shù)據(jù)如下表:
通過上表可以得出以下結(jié)論:除塵系統(tǒng)在變頻改造后較改造前,噸鋼除塵電耗降低了 38.49 KW·h ,節(jié)電率高達 48 %,節(jié)能效果顯著。
六.結(jié)束語:
總之,山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 JD-BP37 -800F 高壓大功率變頻器在湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠 4# 號電爐除塵風機上的改造是成功的,它不僅滿足了電爐除塵系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的要求,改善了電爐炊煉工藝,節(jié)能效果顯著,而且性能穩(wěn)定,運行可靠。鑒于風光牌 JD- BP37 型高壓大功率變頻器在冶金行業(yè)的出色表現(xiàn),同時改造的1 # 電爐、 3# 電爐、6# 電爐除塵風機系統(tǒng),湖北新冶鋼鐵公司也采用我公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器。