摘 要：本文在分析電弧爐設(shè)備的運行現(xiàn)狀和研究電弧爐除塵系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，通過深圳英威騰CHH100系列高壓變頻器在河北永洋鋼鐵廠除塵系統(tǒng)改造中的應(yīng)用實例，介紹了高壓變頻技術(shù)在煉鋼廠電弧爐除塵系統(tǒng)中的實現(xiàn)。實例證明，該變頻技術(shù)在節(jié)能降耗、提高自動化控制水平方面具有很好的應(yīng)用前景

關(guān)鍵詞：高壓變頻技術(shù);電弧爐除塵系統(tǒng);節(jié)能.

1.前言

河北永洋鋼鐵有限公司系中外合資企業(yè)，于1993年由原永年縣軋鋼廠、湖南常德城市建設(shè)開發(fā)公司和香港億洲有限公司合資成立，1994年10月正式投產(chǎn)?，F(xiàn)有員工2000余人，其中中高級技術(shù)人員和管理人員150余人。公司占地面積20萬平方米，總資產(chǎn)11億元。有中型軋鋼生產(chǎn)線四條(800#軋機生產(chǎn)線一條, 650#軋機生產(chǎn)線一條和500#軋機生產(chǎn)線兩條),年生產(chǎn)能力70萬噸。

2. 改造背景

鋼鐵廠以其資源密集、能耗密集、生產(chǎn)規(guī)模大、物流吞吐量大等特點，長期以來一直被認為是煙塵排放量大、廢棄物多、污染大的企業(yè)。而電弧爐煉鋼是一些鋼鐵廠造成煙塵污染的主要來源之一。

電弧爐在冶煉過程中會產(chǎn)生大量高溫煙氣，如不收集處理，將造成非常嚴重的空氣污染。近年來，隨著冶煉工藝的提高，冶煉節(jié)奏大大加快，電弧爐用氧量猛增，隨之帶來的是煙氣發(fā)生量的成倍增加，除塵設(shè)施處理能力不斷改造加大。同時，煙氣除塵設(shè)施在煉鋼企業(yè)中作為輔助裝備，具有能源消耗量大、運行費用高的特點。長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產(chǎn)生的煙氣粉塵大小均使除塵風機全速運行，采用入口擋板開度調(diào)節(jié)，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。同時，根據(jù)電爐的特點，每個月電爐要洗2至4次爐底，每個月電爐要檢修一次，一般檢修24小時，由于電機是2240kW的高壓電機，運行在工頻狀態(tài)每次電機啟動非常困難，沒有特殊情況一般不停高壓風機，也就是說電爐檢修時一般不停除塵風機，電機始終滿負荷運行，電能耗浪費很大。隨著市場競爭的不斷加劇，節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)發(fā)展提高競爭力的有效手段之一。基于以上原因，我們對煉鋼廠除塵進行改造。

3.系統(tǒng)技術(shù)方案研究與選型

電爐煉鋼時產(chǎn)生的有害物污染主要體現(xiàn)在電爐加料、冶煉、出鋼三個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，由于吹氧或加礦石而產(chǎn)生大量赤褐色濃煙。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(shè)計。在系統(tǒng)最大風量需求的基礎(chǔ)上增加1.1~1.3倍的安全閾度進行除塵風機選型設(shè)計。整個煉鋼過程中吹氧時期占30~35%，此時風機處于較高負荷運行，而其余時間則處于較低運行工況。很顯然，除塵系統(tǒng)的利用率很低且系統(tǒng)效率差。長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產(chǎn)生的粉塵大小均使除塵風機全速運行，采用入口擋板開度調(diào)節(jié)，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇，節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)發(fā)展提高競爭力的有效手段之一。

電弧爐除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過對冶煉工藝的分析：電爐在煉鋼過程的不同階段對除塵風量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉為最大，加料除塵為最低。鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風機的運行方式和設(shè)備特點，加上除塵風機是除塵凈化系統(tǒng)的動力中樞，一旦除塵風機不能正常運行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失，還有可能威脅到現(xiàn)場生產(chǎn)人員的人身安全;另外，調(diào)速系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣;同時轉(zhuǎn)爐又周期性間斷吹氧;所以，和除塵風機配套的高壓調(diào)速系統(tǒng)，要求具有極高的可靠性。基于以上工作特點，對變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要要求如下：

1)要求變頻器要有高可靠性，長期運行無故障。

2)要求變頻器有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機切換到工頻運行。

3)調(diào)速范圍要大，效率要高。

4)有共振點跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電機避開共振點運行，讓風機不喘震。

經(jīng)過多方調(diào)研、比較，最后決定采用采用了一套深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發(fā)、生產(chǎn)的多單元串聯(lián)的高─高形式的CHH100系列10kV/2500kW高壓變頻器調(diào)速裝置。通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了電弧爐除塵風機的變頻改造方案，改造方案如下：

(1).變頻調(diào)速技術(shù)在電爐除塵系統(tǒng)中應(yīng)用后，主要體現(xiàn)了以下幾個特點：

(1.1)以前電氣和閥門等控制方式都應(yīng)繼續(xù)保留，以便在風機系統(tǒng)在任何情況下都能運行。

(1.2)根據(jù)以往工程應(yīng)用情況，現(xiàn)場的風機設(shè)備在正常調(diào)節(jié)過程，我公司CHH100系列變頻器都能滿足升降速調(diào)節(jié)的時間要求，可以不用單獨配置制動單元。

(1.3)除塵設(shè)備功耗隨電爐煉鋼生產(chǎn)工藝變負荷運行，提高了系統(tǒng)效率;實現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的最佳工況運行。取得顯著的節(jié)能效果。

(1.4) 大大有效降低了除塵系統(tǒng)負荷率，延長了除塵器、除塵風機、除塵電機、煙道等設(shè)備的使用壽命。

(1.5) 對降低爐內(nèi)熱量損失，合理控制過程溫度，確保終點溫度起到一定的作用。

(1.6) 對除塵系統(tǒng)進行變頻改造，有助于改善爐內(nèi)吹煉工況，縮短煉鋼時間，提高鋼產(chǎn)量改善出鋼品質(zhì)。

(1.7) 降低補爐期間的能耗和爐襯散熱損失。

(2).變頻器配置

根據(jù)現(xiàn)場的額定參數(shù)和實際運行工況,再結(jié)合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程地應(yīng)用情況，我公司為其配置如下變頻器，其主要地參數(shù)如下：

(3).變頻系統(tǒng)切換旁路方案

我方提供的CHH100變頻器的旁路系統(tǒng)采用一拖一手動方案，變頻器具有轉(zhuǎn)速跟蹤功能，變頻與工頻能夠手動切換，其一次系統(tǒng)如下圖所示：

CHH100系列手動一拖一高壓變頻系統(tǒng)圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關(guān)、手動旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。手動旁路柜是由三個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2、QS3組成。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計，變頻器輸入輸出高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和旁路高壓隔離開關(guān)QS3機械閉鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運行。

(1).在變頻運行狀況下，QS1、QS2閉合，QS3斷開。手動切換至工頻運行時(故障)，系統(tǒng)先停止變頻器輸出，斷開用戶開關(guān), 再由機械操作依次斷開QS1、QS2，然后機械操作閉合QS3,使電機切換至工頻側(cè)，再合上用戶開關(guān)使電機工頻運行(需要軟起)，此過程手動完成;

(2).在工頻旁路運行狀況下QS3閉合，QS1、QS2斷開。手動切換至變頻運行時，系統(tǒng)先斷開用戶開關(guān)，由機械操作斷開QS3，然后由機械操作依次閉合QS1、QS2，使電機切換至變頻側(cè)，再合上用戶開關(guān)使電機變頻運行，此過程手動完成。

(4).控制方式

由于不同工藝階段的煙氣溫度有明顯差異，因此溫度的高低直接反映了電爐的運行工況。系統(tǒng)并沒有采用檢測電爐工作中粉塵濃度的方式來直接控制除塵風量，而是采集煙道溫度作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)的基本參量，通過非線性函數(shù)關(guān)系推導出不同運行工況下的除塵風量參與系統(tǒng)控制。從工程角度講，溫度變送器可以在惡劣的工業(yè)場合應(yīng)用，抗干擾能力強、工作穩(wěn)定性好、控制精度高、安全可靠、免維護且價格便宜。而粉塵濃度檢測裝置價格昂貴、穩(wěn)定性差、故障率高、維護量大、現(xiàn)場檢測點數(shù)據(jù)采集很難具有廣泛代表性等缺點?；谏鲜鲈?，選用除塵煙道的煙氣溫度作為現(xiàn)場過程量。同時，以吹氧量和冷風門開度作為除塵風量的修整參量，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、改善控制品質(zhì)、達到良好的除塵效果、實現(xiàn)除塵風量自動控制、降低運行人員勞動強度、提高系統(tǒng)效率，達到最佳的節(jié)電效果。具體的控制邏輯見下圖所示。

為了保證系統(tǒng)的可靠性，另外增加了除塵風量手動控制回路，對除塵風量的控制采用分段調(diào)速的方式由爐前操作臺控制變頻運行的頻率點，從而實現(xiàn)不同運行工況下的風量調(diào)節(jié)。控制邏輯圖如下圖所示。

實踐證明：系統(tǒng)在設(shè)計了兩套控制方案后大大提高了系統(tǒng)的實用性和可操作性，很好的滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)要求。同時，在改善現(xiàn)場工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低噸鋼能耗方面起到了積極作用。

4.英威騰CHH系列高壓變頻器技術(shù)特點

深圳市英威騰電氣股份有限公司，提供的CHH100系列變頻器除了具有一般廠家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點。

1)具有較強的功能，能夠滿足不同工況

CHH100系列高壓變頻器采用DSP系統(tǒng)與可編程系統(tǒng)巧妙的結(jié)合，控制系統(tǒng)高度集成化，設(shè)備器件主要采用進口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個功能碼，可以對啟動特性、運行模式等功能根據(jù)現(xiàn)場工況進行不同設(shè)定。CHH100系列高壓變頻器具有標準的RS485接口，可以通過RS485通訊接口(采用標準通信協(xié)議)與DCS進行連接，也可以通過硬接線的方式與DCS系統(tǒng)進行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統(tǒng)很方便的對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行監(jiān)控。也可以進行不同參數(shù)設(shè)置，滿足現(xiàn)場其它各種不同工況。

2)全面的保護功能

CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護;主控系統(tǒng)采用DSP+PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、過載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據(jù)現(xiàn)場不同的工況進行參數(shù)設(shè)定。內(nèi)置雷擊過流保護裝置，有效提高設(shè)備保護功能和系統(tǒng)保護功能，完全能夠保證電源及電機的安全運行。

3)全面的參數(shù)記錄

CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數(shù)過過程變量，包括每個模塊的溫度、母線電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過通訊上傳至DCS系統(tǒng)，異常時對變頻器的狀態(tài)都有全面的記錄，以便現(xiàn)場人員更準確、更快捷地解決問題。

4)最大的電壓、電流冗余量設(shè)計

深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長為首要設(shè)計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯(lián)，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設(shè)計冗余量較高。

5)電機轉(zhuǎn)速自動跟蹤功能

CHH100系列高壓變頻器在主電源母線切換(10秒內(nèi))過程中，變頻器能夠自動跟蹤電機的轉(zhuǎn)速，當主電源恢復(fù)后變頻器自動運行起來，保證了機組安全可靠運行。

6)功率模塊自動旁路技術(shù)

模塊自動旁路技術(shù)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊自動旁路技術(shù)，可在1ms內(nèi)旁路故障模塊，變頻器降額并可長期運行，等適當時候停機處理。

7)良好的電壓波動適應(yīng)能力

CHH100系列高壓變頻器對電網(wǎng)電壓在±15%范圍內(nèi)波動，變頻器能滿載輸出;電網(wǎng)電壓短時(30秒)下降至額定電壓的65%時，可繼續(xù)降額運行，不進行保護。

8)最有效的電磁干擾解決方案

深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器在模塊設(shè)計上，獨家采用后進線、前出線設(shè)計方案;結(jié)構(gòu)方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，最有效保證變頻器的可靠運行。

9)合理的散熱系統(tǒng)

功率采用獨立的散熱風道，系統(tǒng)集中散熱的方式，散熱性能良好，滿載長時間運行溫升不超過25℃，良好的散熱系統(tǒng)可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長變頻裝置內(nèi)部的器件使用壽命。

10)模塊化設(shè)計

CHH100系列變頻器，遵循模塊化設(shè)計理念，功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個相同的功率單元的結(jié)構(gòu)、配置完全相同，可以非常方便的互換，從而利于生產(chǎn)的標準化，以及維修的標準化。

11)最簡潔操作、最快捷維護

深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器具有人性化的接口設(shè)計、界面簡潔清晰;操作方便，采用抽屜式模塊設(shè)計，更換模塊僅需5分鐘;濾網(wǎng)更換方便、快捷。

5、節(jié)能分析

為了對除塵系統(tǒng)變頻改造后的效果進行評價，在系統(tǒng)投入正常運行一個月后對設(shè)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2個正常生產(chǎn)日，將系統(tǒng)切換至工頻運行系統(tǒng)采用擋板控制調(diào)節(jié)風量。采用網(wǎng)側(cè)有功電度表進行耗電量計量。然后，連續(xù)采集變頻運行的2個正常生產(chǎn)日用電量進行變頻運行工況下的單耗計算，以期變頻運行的數(shù)據(jù)更接近真實運行工況，具體數(shù)據(jù)采樣值見下表。

通過對上表原始數(shù)據(jù)的處理，可以得出：除塵系統(tǒng)在變頻改造后較改造前，噸鋼除塵電耗降低了12.65kW·h。設(shè)備節(jié)電率高達42.648%，節(jié)能效果顯著。

工頻運行時記錄曲線

變頻運行時記錄曲線

截取工頻運行時煉一爐鋼除塵風機電流運行記錄曲線和變頻運行時煉一爐鋼的網(wǎng)側(cè)電流記錄曲線比較，可以直觀的看出風機電流降低明顯，設(shè)備運行工況更符合實際生產(chǎn)工藝需要。

6.結(jié)束語

可見，投入一臺深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器后，該設(shè)備全年節(jié)約電費均可達300萬元左右。另外，由于深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器功率因數(shù)可達0.95以上，大于電機功率因數(shù)0.89，減少大量無功。并且實現(xiàn)電機軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機絕緣的影響，減少電機維護量，節(jié)約檢修維護費用，同時電機壽命大幅度延長。減輕了運行人員的勞動強度，深受運行人員和維修人員的歡迎。除塵風機經(jīng)變頻器改造后，節(jié)能效果顯著，達到設(shè)計要求，該系列變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業(yè)應(yīng)用的證實。

參考文獻：

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[2] 交流電動機變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)指南 (國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會節(jié)能信息傳播中心編).

[3]《CHH100系列使用說明書》