1、 項(xiàng)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(shí)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(huì)排出大量褐色的煙氣，煙氣溫度高、含有易燃?xì)怏w和金屬顆粒，因此必須對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻、凈化，由除塵風(fēng)機(jī)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(tái)轉(zhuǎn)爐每個(gè)轉(zhuǎn)爐都配有一套除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)電機(jī)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(jī)在整個(gè)煉鋼工作周期內(nèi)變速運(yùn)行，吹氧吹煉時(shí)高速運(yùn)行，不吹氧時(shí)低速運(yùn)行。原來采用液力耦合器調(diào)速，高速2600r/min（設(shè)計(jì)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(fèi)；目前液力耦合器已嚴(yán)重老化，需經(jīng)常反廠大修，且維修周期長(zhǎng)造成不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要；電動(dòng)機(jī)的效率低，尤其低速運(yùn)行時(shí)，效率極低；啟動(dòng)電流比較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；液力耦合器再故障時(shí)不能切換至工頻旁路運(yùn)行，必須停機(jī)檢修；由于液力耦合器存在上述等諸多問題，對(duì)其進(jìn)行改造已成當(dāng)務(wù)之急。
為了降低一煉軋廠的噸鋼耗電量同時(shí)解決使用液力耦合器帶來的諸多問題來提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(tái)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(jī)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?fàn)t內(nèi)達(dá)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(jìn)行。轉(zhuǎn)爐的外形就像個(gè)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(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)爐使它直立起來。這時(shí)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(duì)流作用，使反應(yīng)遍及整個(gè)爐內(nèi)。幾分鐘后，當(dāng)鋼液中只剩下少量的硅與錳時(shí)，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(jìn)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(dāng)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(shí)，表明鋼已煉成。這時(shí)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(jìn)行脫氧。整個(gè)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(dòng)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(dòng)模式，高壓變頻器系統(tǒng)型號(hào)為：HINV-10/2800B ，系統(tǒng)配置示意圖如下：
工頻自動(dòng)旁路接線圖
工頻自動(dòng)旁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及動(dòng)作說明：
變頻運(yùn)行：閉合QF、KM1、QS1、QS2、KM2，斷開KM3；
工頻運(yùn)行：閉合QF、KM3，斷開KM1、QS1、QS2、KM2。
在系統(tǒng)工頻運(yùn)行時(shí)：原來的電機(jī)電源啟動(dòng)柜QF為電動(dòng)機(jī)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(jī)工頻旁路。在運(yùn)行中并且可以對(duì)電機(jī)起操作作用。對(duì)電機(jī)的各種保護(hù)還是利用原來QF的保護(hù)設(shè)定值進(jìn)行保護(hù)，原來的安全工藝不做任何變動(dòng)；
3．1轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)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(shí)間,約2分鐘。
B到C為風(fēng)機(jī)升速時(shí)間，暫定50秒，可以調(diào)節(jié)。
C到D為吹氧時(shí)間，約17分鐘。
D點(diǎn)風(fēng)機(jī)開始減速，暫定80秒，可以調(diào)節(jié)。
D到E為倒?fàn)t測(cè)溫取樣時(shí)間，約2分鐘。
E到F為出鋼時(shí)間，約3分鐘。
F到G為濺渣時(shí)間，約4分鐘。
原1#、2#、3#轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機(jī)當(dāng)中1#、2#轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機(jī)采用1400kW電機(jī)拖動(dòng)，3#轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機(jī)采用1600kW的電機(jī)拖動(dòng)，三臺(tái)一次除塵風(fēng)機(jī)均采用液力耦合器自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機(jī)的工作模式分為兩種：高速運(yùn)行和低速運(yùn)行。轉(zhuǎn)爐在不吹煉時(shí)，除塵風(fēng)機(jī)只需要很低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行設(shè)定為600轉(zhuǎn)/分以下，高速設(shè)定為2600轉(zhuǎn)/分，當(dāng)轉(zhuǎn)爐開始送氧吹煉時(shí)，除塵風(fēng)機(jī)開始高速運(yùn)行。轉(zhuǎn)爐根據(jù)氧槍的位置來判斷除塵風(fēng)機(jī)需要哪種速度運(yùn)行，通過原除塵風(fēng)機(jī)的PLC控制系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的模擬量控制信號(hào)來自動(dòng)控制變頻器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。既保證和改善了工藝，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果，整個(gè)吹煉工藝周期約32分鐘，其中高速時(shí)間（C到D）17分鐘。風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)變頻器輸出頻率可以設(shè)定為41Hz（可以調(diào)節(jié)）；低速運(yùn)行時(shí)可以定為14Hz以下（可以調(diào)節(jié)）。
4、節(jié)能效益的計(jì)算
節(jié)能計(jì)算是根據(jù)煉鋼轉(zhuǎn)爐吹煉工藝周期對(duì)一次除塵風(fēng)機(jī)采用液力偶合器調(diào)速和改造后變頻器調(diào)速節(jié)能計(jì)算。
1、煉鋼1、2號(hào)轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機(jī)節(jié)能分析（兩臺(tái)）
設(shè)備基本情況:
風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2950r/min,高速運(yùn)行時(shí)平均轉(zhuǎn)速2550r/min,低速運(yùn)行時(shí)平均轉(zhuǎn)速600r/min
1、目前使用液力偶合器時(shí)1,2號(hào)轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)所耗功率：
風(fēng)機(jī)電機(jī)在高速時(shí)目前運(yùn)行平均電流為：69A
則實(shí)際輸入功率為：
P高= 1.732×10.5×69×0.86＝1080kW
風(fēng)機(jī)電機(jī)在低速時(shí)目前運(yùn)行平均電流為：23A
則實(shí)際輸入功率為：
P低= 1.732×10.5×23×0.86＝360kW
目前運(yùn)行的方式是平均1爐鋼需要33分鐘,高速運(yùn)行平均約為17分鐘，低速運(yùn)行平均約為16分鐘，則采用液里偶合器時(shí)1爐鋼風(fēng)機(jī)電機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)取0.75,變頻前與變頻后的轉(zhuǎn)速比為Qn，則：變頻運(yùn)行時(shí)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(shí)1爐鋼風(fēng)機(jī)電機(jī)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(jì)算，每天節(jié)約的電能：244*35=8540KW
每天煉鋼的等待時(shí)間節(jié)省的電能：340*(24-35*33/60)=340*4.75=1615KW
每年按330運(yùn)行時(shí)間全年節(jié)電：(8540+1615)*330=335萬KW
風(fēng)機(jī)節(jié)電率為：244÷730×100％＝33％
一煉軋廠3號(hào)轉(zhuǎn)爐一次風(fēng)機(jī)節(jié)電分析
1、目前使用液力偶合器時(shí)煉鋼爐風(fēng)機(jī)所耗功率：
轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)電機(jī)在高速時(shí)目前運(yùn)行平均電流為：78A
則實(shí)際輸入功率為：
P高= 1.732×10.5×78×0.86＝1220kW
轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)電機(jī)在低速時(shí)目前運(yùn)行平均電流為：25A
則實(shí)際輸入功率為：
P低= 1.732×10.5×25×0.86＝390kW
目前運(yùn)行的方式是平均1爐鋼需要33分鐘,高速運(yùn)行平均約為17分鐘，低速運(yùn)行平均約為16分鐘，則采用液里偶合器時(shí)1爐鋼風(fēng)機(jī)電機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)取0.75,變頻前與變頻后的轉(zhuǎn)速比為Qn，則：變頻運(yùn)行時(shí)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(shí)1爐鋼風(fēng)機(jī)電機(jī)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(jì)算，每天節(jié)約的電能：253*35=8850KW
每天煉鋼的等待時(shí)間節(jié)省的電能：367*(24-35*33/60)=367*4.75=1743KW
每年按330運(yùn)行時(shí)間全年節(jié)電：(8850+1743)*330=350萬KW
風(fēng)機(jī)節(jié)電率為：253÷818×100％＝31％
通過變頻技術(shù)改造后，由于風(fēng)機(jī)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(huì)給用戶帶來經(jīng)濟(jì)效益。另外還可較少設(shè)備機(jī)械損耗，減少設(shè)備的維護(hù)費(fèi)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(duì)交流電機(jī)及調(diào)速設(shè)備的維護(hù)量小，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，有利于鋼鐵廠實(shí)現(xiàn)設(shè)備的更好用、更方便、自動(dòng)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(tái)轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機(jī)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(yùn)行帶來的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，年節(jié)約了64.5萬元的維護(hù)費(fèi)用及83.5萬元的液力耦合器冷卻水費(fèi)用，由HINV帶來的經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。
6、HINV系列高壓變頻器的性能和特點(diǎn)
1、我公司提供的HINV高壓變頻器完全符合中國(guó)調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：GB 12668）所規(guī)定的相關(guān)要求，及《火電廠風(fēng)機(jī)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(duì)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(bǔ)償器。變頻器的總諧波滿足IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fù)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(kuò)展；
當(dāng)10kV母線電壓在額定電壓+15%～-35%范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)變頻器可以長(zhǎng)期滿載輸出；當(dāng)10kV母線電壓下降至額定電壓的65%以上時(shí)變頻器可連續(xù)降額運(yùn)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(hù)，在不過載、過流的情況下仍然連續(xù)運(yùn)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(shí)，變頻器仍可以繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)提供報(bào)警信號(hào)；
6、如果發(fā)生控制變頻器輸出頻率的模擬信號(hào)掉線或短路時(shí)，變頻器保持原有輸出頻率不變（保位運(yùn)行），同時(shí)提供報(bào)警信號(hào)；
7、變頻裝置有完善的保護(hù)功能，用以保護(hù)變頻器和防止關(guān)鍵元件及電機(jī)的損壞。例如：輸出過電流，門極驅(qū)動(dòng)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(hù)功能。變頻裝置還功率單元旁通功能，可使功率單元自動(dòng)旁路退出系統(tǒng)；旁路柜系統(tǒng)還可進(jìn)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(jī)械閉鎖裝置。變頻裝置兩側(cè)的隔離開關(guān)在拉開的時(shí)候自動(dòng)接地。
8、變頻器對(duì)故障按輕重緩急分級(jí)處理，智能選擇報(bào)警、降額運(yùn)行、緊急停機(jī)等。120%額定電流，1分鐘；150%額定電流，立即保護(hù)，按反時(shí)限特性；
9、變頻器對(duì)輸出電纜的長(zhǎng)度沒有限制，電機(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)都可以通過人機(jī)對(duì)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(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警及故障信息。可進(jìn)行就地人工啟動(dòng)、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(fèi)軟件的升級(jí)。
11、變頻裝置包含以下開關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)：
開關(guān)量輸入：起動(dòng)、停止
開關(guān)量輸出：變頻器高壓就緒、變頻器運(yùn)行、變頻器故障、變頻器停止等信號(hào)
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(hù)連鎖，變頻/工頻旁通開關(guān)組保護(hù)連鎖，在變頻器故障時(shí)提供跳掉10KV電源的信號(hào)，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(yùn)行將近2年，從運(yùn)行情況來看，北京動(dòng)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(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求，高壓電機(jī)利用高壓變頻器可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過程對(duì)電機(jī)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(jī)、水泵電機(jī)系統(tǒng)中一旦應(yīng)用不但節(jié)能效果會(huì)非常顯著，而且對(duì)于行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展意義深遠(yuǎn)。
作者：1、賈禮杰，男，工程師，北京動(dòng)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(dòng)力源科技股份有限公司工程技術(shù)部經(jīng)理
8、參考文獻(xiàn)
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《現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動(dòng)》作者: (美)博斯 著，出版社: 機(jī)械工業(yè)出版社，書號(hào)：ISBN 9787111112969