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高壓變頻在電弧爐除塵風(fēng)機上的應(yīng)用

時間:2010-03-19 16:06:18來源:sunjuan

導(dǎo)語:?高壓變頻器在某煉鋼廠電弧爐煉鋼除塵風(fēng)機中的應(yīng)用,高壓變頻器對降低除塵風(fēng)機的用電率、減少起動電流、提高功率因數(shù)、改進電弧爐煉鋼工藝水平、提高自動化水平有很好的應(yīng)用前景。

摘要:本文分析了高壓變頻器在某煉鋼廠電弧爐煉鋼除塵風(fēng)機中的應(yīng)用。實踐證明,高壓變頻器對降低除塵風(fēng)機的用電率、減少起動電流、提高功率因數(shù)、改進電弧爐煉鋼工藝水平、提高自動化水平有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:高壓變頻技術(shù);除塵風(fēng)機;節(jié)能
一、概述
      電弧爐煉鋼是一些鋼鐵廠造成煙塵污染的主要來源之一。在冶煉過程中,爐口會排出大量棕紅色的煙氣,煙氣溫度高、含有易燃氣體和金屬顆粒,按照我國1996年頒布的《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297一1996),對煙氣必須冷卻、凈化,由引風(fēng)機將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統(tǒng)中備用。因此,每座電弧爐需配有一套除塵系統(tǒng)。
     冶煉過程是通過石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能,以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進行煉鋼的方法。電弧爐以電能為熱源,可調(diào)整爐內(nèi)氣氛,對熔煉含有易氧化元素較多的鋼種極為有利。電爐鋼以廢鋼為主要原料,熔制出碳鋼或不銹鋼鋼水供煉鑄用。電弧爐煉鋼時產(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(fēng)量需求的基礎(chǔ)上增加1.1~1.3倍的安全裕度進行除塵風(fēng)機選型設(shè)計。整個煉鋼過程中吹氧時30~35%,此時風(fēng)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。電弧爐煉鋼主要分為以下階段:
     裝料、補爐完畢后,移開爐蓋,用料筐從爐子頂部把爐料裝入爐內(nèi)。不易氧化和難熔的合金料如鎳等可與廢鋼同時裝入。爐料的熔化 裝好爐料,合上爐蓋后,即降下電極到爐料面近處,按通主電路開關(guān),將電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)放到自動控制位置,以次高級電壓通電起弧。吹氧助熔  電弧暴露在熔池面上并降低輸入功率后,可即向熔池吹入氧氣,以加速廢鋼的熔化。精煉 精煉就是把對鋼質(zhì)有害的一些元素和化合物,盡可能地從鋼液中排除掉。
出鋼: 就是將成分和溫度符合要求的鋼水倒出,以便鑄造之用。
補爐 上一爐的鋼水和鋼渣出凈以后,立即把被侵蝕的爐襯補好。補爐動作要快,以便用爐內(nèi)的殘余高溫,將補爐料和原爐襯燒結(jié)在一起,并可減少熱損失,節(jié)約電能。
     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(fēng)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。
     在九十年代后期,隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的不斷發(fā)展和矢量控制技術(shù)的不斷完善,其中各種拓撲結(jié)構(gòu)的高壓變頻器相繼在應(yīng)用市場上出現(xiàn),尤其在最近幾年,在技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域上得到不斷的進步和拓展,其中,多重化完美無諧波矢量控制高壓變頻器以其功率因數(shù)高、無諧波(輸入諧波小,對供電電網(wǎng)無污染;輸出諧波小,電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動?。┛煽啃愿叨艿皆絹碓蕉嗟挠脩魵g迎,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、建材等領(lǐng)域。
  湘鋼某煉鋼廠正是在這種狀況下,對電弧爐除塵系統(tǒng)進行高壓變頻技術(shù)改造研究的。該電弧爐除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖一所示。電弧爐在冶煉過程中的粉塵主要通過爐頂煙道經(jīng)沉降室沉積,水冷壁冷卻后經(jīng)除塵系統(tǒng)過濾排放;同時利用集塵罩將現(xiàn)場生產(chǎn)車間的粉塵和廢氣及時排走,以免危及電弧爐周邊工作人員的安全、污染環(huán)境。除塵風(fēng)機是將煙氣吸收排放的主要設(shè)備。

 

圖 1   電弧爐除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)


二、系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計
  湘鋼某煉鋼廠70t交流電弧爐。除塵器系統(tǒng)采用布袋式除塵器,最大除塵風(fēng)量160000 m3/h。
  電爐的煉鋼周期為70~85分鐘,其中裝料5~8分鐘,送電熔化20~25分鐘,吹氧25~28分鐘,還原期12~16分鐘,沖渣出鋼5~7分鐘。在不同的生產(chǎn)工藝階段,電弧爐產(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(fēng)量不大,要求粉塵不擴散,不污染電爐周邊工作環(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,又不能過多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間,不僅要求除塵系統(tǒng)能夠及時迅速地將爐口大量棕紅色的煙氣和粉塵排走,又必須保證爐體有合適的吹煉溫度,確保終點溫度。因此,對除塵系統(tǒng)要求較高。進入還原期,吹氧告一段落,粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時,主要排放物是沖渣產(chǎn)生的水蒸汽和少量廢氣。
  通過對冶煉工藝的分析:電弧爐在煉鋼過程的不同階段對除塵風(fēng)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。通過對電弧爐除塵系統(tǒng)中除塵風(fēng)機的運行方式和過程的分析,對除塵風(fēng)機的控制設(shè)計于下方案。

2.1 設(shè)備參數(shù):
風(fēng)機參數(shù)
風(fēng)機型號: AY-FR2760
流量:160000m3/h
風(fēng)壓:3500Pa
軸轉(zhuǎn)速:730r/min
軸功率:1470Kw
電機參數(shù)
電動機型號:YKS650-8
額定電壓::6000V
額定電流:189A
額定轉(zhuǎn)速:736r/min
變頻器技術(shù)指標
型號:SH-HVF-Y6K/1600
額定容量:2000kVA
輸入電壓:6000V
輸出電壓:0~6000V
額定電流:200A
輸出頻率:0~50Hz

2.2 系統(tǒng)電氣構(gòu)成
  根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝情況,選用湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研究開發(fā)生產(chǎn)的高壓變頻器作為主件,該變頻調(diào)速系統(tǒng)具有諧波含量小,功率因數(shù)高、模塊化結(jié)構(gòu)、可靠性高等特點。除塵風(fēng)機電氣系統(tǒng)的主接線結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。6kV電源通過母線段網(wǎng)側(cè)高壓開關(guān)DL接入系統(tǒng),采用多重化移相干式隔離變壓器進行電源側(cè)電氣隔離,以減小對電網(wǎng)的諧波污染;變壓器輸出經(jīng)功率柜逆變輸出后直接驅(qū)動三相異步電動機,實現(xiàn)除塵風(fēng)量的控制。為保證整個除塵風(fēng)機系統(tǒng)可靠性,系統(tǒng)設(shè)計中我們還采用工頻旁路。當(dāng)系統(tǒng)變頻運行時,斷開隔離開關(guān)K3,合隔離開關(guān)K1、K2。K2與K3之間還設(shè)計了機械互鎖,在變頻器運行時絕對保證K3不可以誤合閘。在變頻運行時,由遠程PLC起停變頻器;轉(zhuǎn)速由微機控制系統(tǒng)給定,實現(xiàn)除塵風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和風(fēng)量控制。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)切換至原工頻運行方式;斷開隔離開關(guān)K1、K2;合隔離開關(guān)K3。由原除塵系統(tǒng)啟動風(fēng)機,入口擋板控制風(fēng)量。

 圖2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)控制方案
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(fēng)量,而是采集煙道溫度作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)的基本參量,通過計算機進行計算和綜合輸出4~20mA電流作為高壓變頻器的頻率給定信號系統(tǒng)控制。同時,以吹氧量和冷風(fēng)門開度作為除塵風(fēng)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(fēng)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。具體的控制邏輯見圖3所示。為了保證系統(tǒng)的可靠性,另外增加了除塵風(fēng)量手動控制回路,對除塵風(fēng)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(fēng)量調(diào)節(jié)。控制邏輯圖如圖四所示。

圖3手動控制示意


      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。

三、系統(tǒng)特點
     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、提高了功率因數(shù),大大降低了起動電流(起動電流從1200A左右降到不足30A),實現(xiàn)了最佳的軟起動。
2、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;取得顯著的節(jié)能效果。
3、降低了除塵系統(tǒng)用電負荷,減少了直接起動對電網(wǎng)的電流沖擊,同時也減少了對電機、除塵風(fēng)機的沖擊,延長了除塵器、除塵布袋、除塵風(fēng)機、除塵電機、煙道等設(shè)備的使用壽命。
4、對降低爐內(nèi)熱量損失,合理控制過程溫度,做到爐溫控制的最優(yōu)化。
5、對除塵系統(tǒng)進行變頻改造,縮短煉鋼時間,提高鋼的品質(zhì)。

四、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1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。
  對變頻改造后的節(jié)能情況進行統(tǒng)計分析,將除塵風(fēng)機切到工頻連續(xù)運行72小時,統(tǒng)計這段時間的耗電量和煉鋼量;再將除塵風(fēng)機切到變頻工況下連續(xù)運行,按同樣的方法統(tǒng)計這段時間的耗電量和煉鋼量。

  通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析處理,我們可以得出于下結(jié)論:
1、 除塵系統(tǒng)在變頻改造后,功率因數(shù)從0.83左右提高到0.973;
2、 噸鋼除塵電耗降低了16.4kW/h,設(shè)備節(jié)電率高達59.3%,節(jié)能效果顯著;
3、 年節(jié)電量高達593萬度,年節(jié)電收益高達225萬元;
4、 項目總體投資額為178萬元,15個月即可收回投資,設(shè)備使用壽命長達10年,項目總體收益高達1800萬元以上。

參考文獻 :
[1] 沈才芳等編著.電弧爐煉鋼工藝與設(shè)備(第2版).北京:冶金工業(yè)出版社,2001
[2] 湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司  SH-HVF系列高壓變頻器手冊

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