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