1、 項目應(yīng)用背景
湖南華菱漣源鋼鐵有限責(zé)任公司位于湖南省婁底市，1958年建成投產(chǎn)，目前已形成年產(chǎn)鋼450萬噸以上綜合規(guī)模，總資產(chǎn)256.8億元，在崗職工15400余人，2008年實現(xiàn)銷售收入216億元。
由于煉鋼轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中，轉(zhuǎn)爐口會排出大量褐色的煙氣，煙氣溫度高、含有易燃氣體和金屬顆粒，因此必須對煙氣進行冷卻、凈化，由除塵風(fēng)機將其排至煙囪燃燒放散或輸送到煤氣回收系統(tǒng)中備用。漣鋼三臺轉(zhuǎn)爐每個轉(zhuǎn)爐都配有一套除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)電機功率1600KW，電壓10KV，由于轉(zhuǎn)爐周期性間斷吹氧，為滿足節(jié)能和環(huán)保要求,要求風(fēng)機在整個煉鋼工作周期內(nèi)變速運行，吹氧吹煉時高速運行，不吹氧時低速運行。原來采用液力耦合器調(diào)速，高速2600r/min（設(shè)計2900r/min），低速600r/min。由于液力耦合器技術(shù)的局限性，使得調(diào)速范圍只能在30%～90％之間，轉(zhuǎn)速很不穩(wěn)定；而且，低速600r/min仍然偏高，造成電能浪費；目前液力耦合器已嚴重老化，需經(jīng)常反廠大修，且維修周期長造成不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要；電動機的效率低，尤其低速運行時，效率極低；啟動電流比較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；液力耦合器再故障時不能切換至工頻旁路運行，必須停機檢修；由于液力耦合器存在上述等諸多問題，對其進行改造已成當務(wù)之急。
為了降低一煉軋廠的噸鋼耗電量同時解決使用液力耦合器帶來的諸多問題來提高風(fēng)機的運行效率，湖南華菱漣源鋼鐵有限責(zé)任公司于2008年采用合同能源管理模式與我公司簽訂了3臺HINV-10/2800B大功率高壓變頻器，應(yīng)用于煉鋼一煉軋廠轉(zhuǎn)爐一次風(fēng)機的除塵。
2、 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝
轉(zhuǎn)爐煉鋼是把氧氣鼓入熔融的生鐵里，使雜質(zhì)硅、錳等氧化。在氧化的過程中放出大量的熱量 （含1%的硅可使生鐵的溫度升高200攝氏度），可使爐內(nèi)達到足夠高的溫度。因此轉(zhuǎn)爐煉鋼不需要另外使用燃料。煉鋼的基本任務(wù)是脫碳、脫磷、脫硫、脫氧，去除有害氣體和非金屬夾雜物，提高溫度和調(diào)整成分。歸納為：“四脫”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去氣和去夾雜），“二調(diào)整”（成分和溫度）。采用的主要技術(shù)手段為：供氧，造渣，升溫，加脫氧劑和合金化操作。
轉(zhuǎn)爐煉鋼是在轉(zhuǎn)爐里進行。轉(zhuǎn)爐的外形就像個梨，內(nèi)壁有耐火磚，爐側(cè)有許多小孔（風(fēng)口），壓縮空氣從這些小孔里吹爐內(nèi)，又叫做側(cè)吹轉(zhuǎn)爐。開始時，轉(zhuǎn)爐處于水平，向內(nèi)注入1300攝氏度的液態(tài)生鐵，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空氣并轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)爐使它直立起來。這時液態(tài)生鐵表面劇烈的反應(yīng)，使鐵、硅、錳氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成爐渣，利用熔化的鋼鐵和爐渣的對流作用，使反應(yīng)遍及整個爐內(nèi)。幾分鐘后，當鋼液中只剩下少量的硅與錳時，碳開始氧化，生成一氧化碳（放熱）使鋼液劇烈沸騰。爐口由于溢出的一氧化炭的燃燒而出現(xiàn)巨大的火焰。最后，磷也發(fā)生氧化并進一步生成磷酸亞鐵。磷酸亞鐵再跟生石灰反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鈣和硫化鈣，一起成為爐渣。當磷與硫逐漸減少，火焰退落，爐口出現(xiàn)四氧化三鐵的褐色蒸汽時，表明鋼已煉成。這時應(yīng)立即停止鼓風(fēng)，并把轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)到水平位置，把鋼水傾至鋼水包里，再加脫氧劑進行脫氧。整個過程只需15分鐘左右。如果氧氣是從爐底吹入，那就是底吹轉(zhuǎn)爐；氧氣從頂部吹入，就是頂吹轉(zhuǎn)爐。
3、變頻器改造方案
北京動力源公司提供的三套高壓變頻器系統(tǒng)均采用一拖一拖動模式，高壓變頻器系統(tǒng)型號為：HINV-10/2800B ，系統(tǒng)配置示意圖如下：
工頻自動旁路接線圖
工頻自動旁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及動作說明：
變頻運行：閉合QF、KM1、QS1、QS2、KM2，斷開KM3；
工頻運行：閉合QF、KM3，斷開KM1、QS1、QS2、KM2。
在系統(tǒng)工頻運行時：原來的電機電源啟動柜QF為電動機提供工作電源，變頻器內(nèi)部的KM3在電路中作為連接開關(guān)有足夠的容量保證電機工頻旁路。在運行中并且可以對電機起操作作用。對電機的各種保護還是利用原來QF的保護設(shè)定值進行保護，原來的安全工藝不做任何變動；
3．1轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機的基本工況及改造前控制的基本描述
吹煉工藝周期如下：
A到B為兌鐵加廢鋼時間,約2分鐘。
B到C為風(fēng)機升速時間，暫定50秒，可以調(diào)節(jié)。
C到D為吹氧時間，約17分鐘。
D點風(fēng)機開始減速，暫定80秒，可以調(diào)節(jié)。
D到E為倒爐測溫取樣時間，約2分鐘。
E到F為出鋼時間，約3分鐘。
F到G為濺渣時間，約4分鐘。
原1#、2#、3#轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機當中1#、2#轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機采用1400kW電機拖動，3#轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機采用1600kW的電機拖動，三臺一次除塵風(fēng)機均采用液力耦合器自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機的工作模式分為兩種：高速運行和低速運行。轉(zhuǎn)爐在不吹煉時，除塵風(fēng)機只需要很低的轉(zhuǎn)速運行，現(xiàn)場轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機低速運行設(shè)定為600轉(zhuǎn)/分以下，高速設(shè)定為2600轉(zhuǎn)/分，當轉(zhuǎn)爐開始送氧吹煉時，除塵風(fēng)機開始高速運行。轉(zhuǎn)爐根據(jù)氧槍的位置來判斷除塵風(fēng)機需要哪種速度運行，通過原除塵風(fēng)機的PLC控制系統(tǒng)發(fā)出一個可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的模擬量控制信號來自動控制變頻器，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機轉(zhuǎn)速的自動控制。既保證和改善了工藝，又達到節(jié)能降耗的目的和效果，整個吹煉工藝周期約32分鐘，其中高速時間（C到D）17分鐘。風(fēng)機高速運行時變頻器輸出頻率可以設(shè)定為41Hz（可以調(diào)節(jié)）；低速運行時可以定為14Hz以下（可以調(diào)節(jié)）。
4、節(jié)能效益的計算
節(jié)能計算是根據(jù)煉鋼轉(zhuǎn)爐吹煉工藝周期對一次除塵風(fēng)機采用液力偶合器調(diào)速和改造后變頻器調(diào)速節(jié)能計算。
1、煉鋼1、2號轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機節(jié)能分析（兩臺）
設(shè)備基本情況:
風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速2950r/min,高速運行時平均轉(zhuǎn)速2550r/min,低速運行時平均轉(zhuǎn)速600r/min
1、目前使用液力偶合器時1,2號轉(zhuǎn)爐風(fēng)機所耗功率：
風(fēng)機電機在高速時目前運行平均電流為：69A
則實際輸入功率為：
P高= 1.732×10.5×69×0.86＝1080kW
風(fēng)機電機在低速時目前運行平均電流為：23A
則實際輸入功率為：
P低= 1.732×10.5×23×0.86＝360kW
目前運行的方式是平均1爐鋼需要33分鐘,高速運行平均約為17分鐘，低速運行平均約為16分鐘，則采用液里偶合器時1爐鋼風(fēng)機電機所耗的功率為：
P液=1080×（17/33）+360×（16/33）=556+174=730kW
2、采用變頻改造后，各種使用工況下風(fēng)機的耗電功率為：
P=kPQn3 /η （k為設(shè)備工作效率校正系數(shù)，這里取k＝1）
在高、低頻時分別用P高、P低表示，變頻器系統(tǒng)的綜合效率η高速取0.95，低速時取0.75,變頻前與變頻后的轉(zhuǎn)速比為Qn，則：變頻運行時的功耗為：
P高＝kPQn3 /η＝1×1400（0.86）3/0.96=925KW
P低＝kPQn3 /η＝1×1400（0.22）3/0.75=20KW
采用變頻時1爐鋼風(fēng)機電機所耗的功率為：
P變=925×（17/33）+20×（16/33）=476+10=486 kW
3、采用變頻改造后，轉(zhuǎn)爐每煉1爐鋼節(jié)電功率為：730kW -486kW=244KW
按每天平均35爐鋼計算，每天節(jié)約的電能：244*35=8540KW
每天煉鋼的等待時間節(jié)省的電能：340*(24-35*33/60)=340*4.75=1615KW
每年按330運行時間全年節(jié)電：(8540+1615)*330=335萬KW
風(fēng)機節(jié)電率為：244÷730×100％＝33％
一煉軋廠3號轉(zhuǎn)爐一次風(fēng)機節(jié)電分析
1、目前使用液力偶合器時煉鋼爐風(fēng)機所耗功率：
轉(zhuǎn)爐風(fēng)機電機在高速時目前運行平均電流為：78A
則實際輸入功率為：
P高= 1.732×10.5×78×0.86＝1220kW
轉(zhuǎn)爐風(fēng)機電機在低速時目前運行平均電流為：25A
則實際輸入功率為：
P低= 1.732×10.5×25×0.86＝390kW
目前運行的方式是平均1爐鋼需要33分鐘,高速運行平均約為17分鐘，低速運行平均約為16分鐘，則采用液里偶合器時1爐鋼風(fēng)機電機所耗的功率為：
P液=1220×（17/33）+390×（16/33）=628+190=818kW
2、采用變頻改造后，各種使用工況下風(fēng)機的耗電功率為：
P=kPQn3 /η （k為設(shè)備工作效率校正系數(shù)，這里取k＝1）
在高、低頻時分別用P高、P低表示，變頻器系統(tǒng)的綜合效率η高速取0.95，低速時取0.75,變頻前與變頻后的轉(zhuǎn)速比為Qn，則：變頻運行時的功耗為：
P高＝kPQn3 /η＝1×1600（0.86）3/0.96=1076KW
P低＝kPQn3 /η＝1×1600（0.22）3/0.75=23KW
采用變頻時1爐鋼風(fēng)機電機所耗的功率為：
P變=1076×（17/33）+23×（16/33）=554+11=565 kW
3、采用變頻改造后，轉(zhuǎn)爐每煉1爐鋼節(jié)電功率為：
818kW -565kW=253KW
按每天平均35爐鋼計算，每天節(jié)約的電能：253*35=8850KW
每天煉鋼的等待時間節(jié)省的電能：367*(24-35*33/60)=367*4.75=1743KW
每年按330運行時間全年節(jié)電：(8850+1743)*330=350萬KW
風(fēng)機節(jié)電率為：253÷818×100％＝31％
通過變頻技術(shù)改造后，由于風(fēng)機功率因數(shù)提高后減小了無功損耗，其下降值也是非常可觀的，無功功率的下降同樣地會給用戶帶來經(jīng)濟效益。另外還可較少設(shè)備機械損耗，減少設(shè)備的維護費用。
由于高壓變頻器的高傳遞效率、高功率因數(shù)等特性，節(jié)能效果非常明顯,另外在工藝上對交流電機及調(diào)速設(shè)備的維護量小，運行穩(wěn)定、可靠，有利于鋼鐵廠實現(xiàn)設(shè)備的更好用、更方便、自動化程度更高。
5、變頻節(jié)能改造后的節(jié)能效益核算
同液力耦合器比較，三臺轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機噸鋼除塵電耗平均減少2.58度/噸；節(jié)電率為38.86%。由于拆除了液力耦合器，HINV高壓變頻器不但直接節(jié)約了大量電量，還節(jié)約了大量的由于液力耦合器運行帶來的運行維護費用，年節(jié)約了64.5萬元的維護費用及83.5萬元的液力耦合器冷卻水費用，由HINV帶來的經(jīng)濟效益是相當可觀的。
6、HINV系列高壓變頻器的性能和特點
1、我公司提供的HINV高壓變頻器完全符合中國調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)國家標準（標準號：GB 12668）所規(guī)定的相關(guān)要求，及《火電廠風(fēng)機水泵用高壓變頻器》（DL/T 994-2006）的所有相關(guān)規(guī)定；
2、變頻器采用48脈沖的輸入整流，確保不對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。輸入功率因數(shù)高，無須配置功率因素補償器。變頻器的總諧波滿足IEEE-519標準和GB/T14549/93《電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波》有的關(guān)規(guī)定；
3、變頻器的效率：在額定的負載情況下變頻器輸入側(cè)基波功率因數(shù)不低于0.96，變頻器整體效率在95%以上；在負荷86-100%范圍內(nèi)，變頻器整體效率在97%以上。
4、變頻器內(nèi)部采用PLC控制，易于使用，便于控制功能擴展；
當10kV母線電壓在額定電壓+15%～-35%范圍內(nèi)波動時變頻器可以長期滿載輸出；當10kV母線電壓下降至額定電壓的65%以上時變頻器可連續(xù)降額運行。電網(wǎng)電壓下降到額定電壓的65%以下，變頻器轉(zhuǎn)入輸出電流保護，在不過載、過流的情況下仍然連續(xù)運行。
5、變頻器控制電源使用交流380V電源，并且變頻器由自身的變壓器二次側(cè)提供備份控制電源，另外還配備有UPS電源，充分保證了在控制電源發(fā)生故障時，變頻器仍可以繼續(xù)運行，同時提供報警信號；
6、如果發(fā)生控制變頻器輸出頻率的模擬信號掉線或短路時，變頻器保持原有輸出頻率不變（保位運行），同時提供報警信號；
7、變頻裝置有完善的保護功能，用以保護變頻器和防止關(guān)鍵元件及電機的損壞。例如：輸出過電流，門極驅(qū)動故障，變頻器過載，單元直流過電壓，變壓器過熱，主電源失電，通風(fēng)故障，控制電源失電，單元過熱，單元直流欠壓故障等保護功能。變頻裝置還功率單元旁通功能，可使功率單元自動旁路退出系統(tǒng)；旁路柜系統(tǒng)還可進行工頻旁路。旁路柜系統(tǒng)隔離開關(guān)之間和變頻裝置電源開關(guān)之間裝設(shè)機械閉鎖裝置。變頻裝置兩側(cè)的隔離開關(guān)在拉開的時候自動接地。
8、變頻器對故障按輕重緩急分級處理，智能選擇報警、降額運行、緊急停機等。120%額定電流，1分鐘；150%額定電流，立即保護，按反時限特性；
9、變頻器對輸出電纜的長度沒有限制，電機不受變頻器共模電壓及 dv/dt 應(yīng)力的影響；
10、HINV系列變頻器采用中文操作界面，任何運行數(shù)據(jù)都可以通過人機對話界面監(jiān)視到。可以顯示變頻器輸出頻率、電流、電壓、功率、運行狀態(tài)、報警及故障信息?？蛇M行就地人工啟動、停止變頻器，可以調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率；功能設(shè)定、參數(shù)設(shè)定等我們可以為用戶提供免費軟件的升級。
11、變頻裝置包含以下開關(guān)量信號和模擬量信號：
開關(guān)量輸入：起動、停止
開關(guān)量輸出：變頻器高壓就緒、變頻器運行、變頻器故障、變頻器停止等信號
模擬量輸入：頻率調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)速給定)
模擬量輸出：輸出頻率、輸出電流
12、變頻器具有各種防止誤操作的措施，如：柜門具有保護連鎖，變頻/工頻旁通開關(guān)組保護連鎖，在變頻器故障時提供跳掉10KV電源的信號，緊急停車按鈕等。
7、 結(jié)束語
HINV-10/2800B在投入生產(chǎn)到目前已運行將近2年，從運行情況來看，北京動力源生產(chǎn)的高壓大功率變頻器性能好，可靠性高，節(jié)能效果明顯，滿足連續(xù)生產(chǎn)對調(diào)速系統(tǒng)的要求，高壓電機利用高壓變頻器可以實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過程對電機調(diào)速控制的要求，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又可大幅度節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。雖然一次性投資高，但是投資一般在2～３年內(nèi)可以收回。高壓變頻器在鋼鐵行業(yè)的高壓風(fēng)機、水泵電機系統(tǒng)中一旦應(yīng)用不但節(jié)能效果會非常顯著，而且對于行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展意義深遠。
作者：1、賈禮杰，男，工程師，北京動力源科技股份有限公司技術(shù)部經(jīng)理
2、劉立業(yè)，男，工程師，北京動力源科技股份有限公司工程技術(shù)部經(jīng)理
8、參考文獻
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《高壓變頻器應(yīng)用手冊》作者：仲明振//趙相賓、出版社: 機械工業(yè)，ISBN9787111265641
《中高壓變頻器應(yīng)用技術(shù)/自動控制技術(shù)應(yīng)用》作者: 張選正，顧紅兵、出版社: 電子工業(yè)出版社，ISBN9787121045189
《高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)》作者: 張皓，續(xù)明進，楊梅、出版社: 機械工業(yè)出版社，ISBN9787111192183
《大功率變頻器及交流傳動》作者：Bin Wu(加拿大)、出版社：機械工業(yè)出版社，2007.8ISBN978-7-111-22522-5
《電力電子技術(shù)手冊》作者: 〔美〕拉希德 主編，陳建業(yè) 等譯，國外電氣工程名著譯叢 ，出版社: 機械工業(yè)出版社，書號：ISBN 9787111142614
《現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動》作者: (美)博斯 著，出版社: 機械工業(yè)出版社，書號：ISBN 9787111112969