摘 要：本文在分析電弧爐設(shè)備的運(yùn)行現(xiàn)狀和研究電弧爐除塵系統(tǒng)特點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)。實(shí)例證明，該變頻技術(shù)在節(jié)能降耗、提高自動(dòng)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(jí)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(jī)生產(chǎn)線一條, 650#軋機(jī)生產(chǎn)線一條和500#軋機(jī)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(diǎn)，長期以來一直被認(rèn)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(huì)產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，如不收集處理，將造成非常?yán)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(shí)，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(yùn)行費(fèi)用高的特點(diǎn)。長期以來，不論電爐處于哪一個(gè)運(yùn)行階段，產(chǎn)生的煙氣粉塵大小均使除塵風(fēng)機(jī)全速運(yùn)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(fèi)。同時(shí)，根據(jù)電爐的特點(diǎn)，每個(gè)月電爐要洗2至4次爐底，每個(gè)月電爐要檢修一次，一般檢修24小時(shí)，由于電機(jī)是2240kW的高壓電機(jī)，運(yùn)行在工頻狀態(tài)每次電機(jī)啟動(dòng)非常困難，沒有特殊情況一般不停高壓風(fēng)機(jī)，也就是說電爐檢修時(shí)一般不停除塵風(fēng)機(jī)，電機(jī)始終滿負(fù)荷運(yùn)行，電能耗浪費(fèi)很大。隨著市場(chǎng)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(duì)煉鋼廠除塵進(jìn)行改造。

3.系統(tǒng)技術(shù)方案研究與選型

電爐煉鋼時(shí)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(gè)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(qiáng)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(gè)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(jìn)行設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)最大風(fēng)量需求的基礎(chǔ)上增加1.1~1.3倍的安全閾度進(jìn)行除塵風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)。整個(gè)煉鋼過程中吹氧時(shí)期占30~35%，此時(shí)風(fēng)機(jī)處于較高負(fù)荷運(yùn)行，而其余時(shí)間則處于較低運(yùn)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(gè)運(yùn)行階段，產(chǎn)生的粉塵大小均使除塵風(fēng)機(jī)全速運(yùn)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(fèi)。隨著市場(chǎng)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(duì)冶煉工藝的分析：電爐在煉鋼過程的不同階段對(duì)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。鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式和設(shè)備特點(diǎn)，加上除塵風(fēng)機(jī)是除塵凈化系統(tǒng)的動(dòng)力中樞，一旦除塵風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還有可能威脅到現(xiàn)場(chǎng)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(shí)轉(zhuǎn)爐又周期性間斷吹氧;所以，和除塵風(fēng)機(jī)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(diǎn)，對(duì)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(yùn)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(jī)切換到工頻運(yùn)行。

3)調(diào)速范圍要大，效率要高。

4)有共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電機(jī)避開共振點(diǎn)運(yùn)行，讓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(gè)特點(diǎn)：

(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(fēng)機(jī)系統(tǒng)在任何情況下都能運(yùn)行。

(1.2)根據(jù)以往工程應(yīng)用情況，現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)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(shí)間要求，可以不用單獨(dú)配置制動(dòng)單元。

(1.3)除塵設(shè)備功耗隨電爐煉鋼生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運(yùn)行，提高了系統(tǒng)效率;實(shí)現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的最佳工況運(yùn)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(fù)荷率，延長了除塵器、除塵風(fēng)機(jī)、除塵電機(jī)、煙道等設(shè)備的使用壽命。

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

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

(1.7) 降低補(bǔ)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(chǎng)的額定參數(shù)和實(shí)際運(yùn)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(dòng)方案，變頻器具有轉(zhuǎn)速跟蹤功能，變頻與工頻能夠手動(dòng)切換，其一次系統(tǒng)如下圖所示：

CHH100系列手動(dòng)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(dòng)旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機(jī)組成。手動(dòng)旁路柜是由三個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2、QS3組成。手動(dòng)旁路柜嚴(yán)格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計(jì)，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(jī)械閉鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運(yùn)行。

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

(2).在工頻旁路運(yùn)行狀況下QS3閉合，QS1、QS2斷開。手動(dòng)切換至變頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)先斷開用戶開關(guān)，由機(jī)械操作斷開QS3，然后由機(jī)械操作依次閉合QS1、QS2，使電機(jī)切換至變頻側(cè)，再合上用戶開關(guān)使電機(jī)變頻運(yùn)行，此過程手動(dòng)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(yùn)行工況。系統(tǒng)并沒有采用檢測(cè)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，通過非線性函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出不同運(yùn)行工況下的除塵風(fēng)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(chǎng)合應(yīng)用，抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、控制精度高、安全可靠、免維護(hù)且價(jià)格便宜。而粉塵濃度檢測(cè)裝置價(jià)格昂貴、穩(wěn)定性差、故障率高、維護(hù)量大、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集很難具有廣泛代表性等缺點(diǎn)?；谏鲜鲈?，選用除塵煙道的煙氣溫度作為現(xiàn)場(chǎng)過程量。同時(shí)，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(dá)到良好的除塵效果、實(shí)現(xiàn)除塵風(fēng)量自動(dòng)控制、降低運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高系統(tǒng)效率，達(dá)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(fēng)量手動(dòng)控制回路，對(duì)除塵風(fēng)量的控制采用分段調(diào)速的方式由爐前操作臺(tái)控制變頻運(yùn)行的頻率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況下的風(fēng)量調(diào)節(jié)?？刂七壿媹D如下圖所示。

實(shí)踐證明：系統(tǒng)在設(shè)計(jì)了兩套控制方案后大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性，很好的滿足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求。同時(shí)，在改善現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)

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(diǎn)。

1)具有較強(qiáng)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(jìn)口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個(gè)功能碼，可以對(duì)啟動(dòng)特性、運(yùn)行模式等功能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行不同設(shè)定。CHH100系列高壓變頻器具有標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，可以通過RS485通訊接口(采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議)與DCS進(jìn)行連接，也可以通過硬接線的方式與DCS系統(tǒng)進(jìn)行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統(tǒng)很方便的對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。也可以進(jìn)行不同參數(shù)設(shè)置，滿足現(xiàn)場(chǎng)其它各種不同工況。

2)全面的保護(hù)功能

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

3)全面的參數(shù)記錄

CHH100系列高壓變頻器顯示多項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)過過程變量，包括每個(gè)模塊的溫度、母線電壓都有檢測(cè)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(shí)對(duì)變頻器的狀態(tài)都有全面的記錄，以便現(xiàn)場(chǎng)人員更準(zhǔn)確、更快捷地解決問題。

4)最大的電壓、電流冗余量設(shè)計(jì)

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(jì)原則，采用1700V高壓IGBT，9級(jí)或6級(jí)串聯(lián)，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設(shè)計(jì)冗余量較高。

5)電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)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(dòng)跟蹤電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)主電源恢復(fù)后變頻器自動(dòng)運(yùn)行起來，保證了機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

6)功率模塊自動(dòng)旁路技術(shù)

模塊自動(dòng)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(dòng)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(yùn)行，等適當(dāng)時(shí)候停機(jī)處理。

7)良好的電壓波動(dòng)適應(yīng)能力

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

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(jì)上，獨(dú)家采用后進(jìn)線、前出線設(shè)計(jì)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(yùn)行。

9)合理的散熱系統(tǒng)

功率采用獨(dú)立的散熱風(fēng)道，系統(tǒng)集中散熱的方式，散熱性能良好，滿載長時(shí)間運(yùn)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(jì)

CHH100系列變頻器，遵循模塊化設(shè)計(jì)理念，功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個(gè)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(biāo)準(zhǔn)化，以及維修的標(biāo)準(zhǔn)化。

11)最簡潔操作、最快捷維護(hù)

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(jì)、界面簡潔清晰;操作方便，采用抽屜式模塊設(shè)計(jì)，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(duì)除塵系統(tǒng)變頻改造后的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，在系統(tǒng)投入正常運(yùn)行一個(gè)月后對(duì)設(shè)備實(shí)際使用和節(jié)電情況進(jìn)行了測(cè)定和數(shù)據(jù)分析。

隨機(jī)抽取2個(gè)正常生產(chǎn)日，將系統(tǒng)切換至工頻運(yùn)行系統(tǒng)采用擋板控制調(diào)節(jié)風(fēng)量。采用網(wǎng)側(cè)有功電度表進(jìn)行耗電量計(jì)量。然后，連續(xù)采集變頻運(yùn)行的2個(gè)正常生產(chǎn)日用電量進(jìn)行變頻運(yùn)行工況下的單耗計(jì)算，以期變頻運(yùn)行的數(shù)據(jù)更接近真實(shí)運(yùn)行工況，具體數(shù)據(jù)采樣值見下表。

通過對(duì)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(dá)42.648%，節(jié)能效果顯著。

工頻運(yùn)行時(shí)記錄曲線

變頻運(yùn)行時(shí)記錄曲線

截取工頻運(yùn)行時(shí)煉一爐鋼除塵風(fēng)機(jī)電流運(yùn)行記錄曲線和變頻運(yùn)行時(shí)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(fēng)機(jī)電流降低明顯，設(shè)備運(yùn)行工況更符合實(shí)際生產(chǎn)工藝需要。

6.結(jié)束語

可見，投入一臺(tái)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(fèi)均可達(dá)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(dá)0.95以上，大于電機(jī)功率因數(shù)0.89，減少大量無功。并且實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，可避免因大電流啟動(dòng)沖擊造成對(duì)電機(jī)絕緣的影響，減少電機(jī)維護(hù)量，節(jié)約檢修維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)電機(jī)壽命大幅度延長。減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，深受運(yùn)行人員和維修人員的歡迎。除塵風(fēng)機(jī)經(jīng)變頻器改造后，節(jié)能效果顯著，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，該系列變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到許多工業(yè)應(yīng)用的證實(shí)。

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