近年來，交流變頻調(diào)速技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展迅速，由于變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、動態(tài)響應(yīng)、低頻轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)、效率等方面是以往的交流調(diào)速方式無法比擬的，并且在節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面都發(fā)揮了巨大作用，所以它的應(yīng)用越來越廣泛。
轉(zhuǎn)爐煉鋼具有顯著的周期性和連續(xù)性特點，生產(chǎn)一爐鋼需要30-45min，其中供氧（吹煉）過程為15-20min，一半以上為非吹煉時間，此時風(fēng)機(jī)沒有必要高速運(yùn)行，如將其切換至低速節(jié)能狀態(tài)，可節(jié)省大量能源，同時減少設(shè)備損耗，對提高設(shè)備利用率也十分有益。目前國內(nèi)轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機(jī)多采用液力耦合器，但由于存在轉(zhuǎn)差損耗等，節(jié)能效果不理想，且設(shè)備故障率較高。交流變頻技術(shù)不僅調(diào)速平滑，調(diào)速范圍大，效率高，啟動電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果好，對風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備而言是最佳的節(jié)能手段，平均節(jié)能效果可以達(dá)到30%以上。但是在高電壓大功率電機(jī)上尚未得到較多推廣。究其原因，主要有二：一是大功率電動機(jī)供電電壓高(3～10kV)，而目前變頻器開關(guān)器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題；二是高壓大容量變頻調(diào)速裝置技術(shù)含量高、維護(hù)難度大、造價高，而所驅(qū)動的負(fù)載多數(shù)情況下是直接關(guān)系到生產(chǎn)、生活的重要設(shè)備，大多數(shù)用戶對它的性能和可靠性心存疑慮，不敢大膽采用。
宣鋼煉鋼廠通過對多家單位實際應(yīng)用效果的多方考察，選用了西門子SIMOVERTMV中壓變頻器。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點
西門子SIMOVERTMV中壓變頻頻器擁有以下顯著特點：
（1）SIMOVERTMV系列變頻器采用傳統(tǒng)的交—直—交變頻器結(jié)構(gòu)，整流部分采用12脈沖二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過采用耐壓較高的HV—IGBT模塊，使得串聯(lián)器件數(shù)減少為12個，隨著元件數(shù)量的減少，成本降低，方案變得簡潔，有助于提高可靠性。良好的輸入輸出波形；滿足IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)，效率高，使用簡單，便于維護(hù)，采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備較強(qiáng)的過載能力。
（2）SIMOVERTMV系列變頻器的逆變部分采用三電平方式，其輸出側(cè)需要配置輸出濾波器，以獲得具有低諧波分量的基本正弦電流特性以及較佳的轉(zhuǎn)矩特性，同時電機(jī)的損耗可以降到最低。另外HV—IGBT優(yōu)點是每次通斷電的瞬間電流和電壓可以完全控制，dv/dt可以調(diào)節(jié)，從而減輕對電機(jī)絕緣的損壞。
（3）系統(tǒng)提供多種控制模式，包括線性V/F控制，平方V/F控制，可編程多點設(shè)定V/F控制，磁通電流控制，無測速傳感器矢量控制，閉環(huán)矢量控制等。通過速度反饋選板可構(gòu)成帶反饋的矢量控制閉環(huán)，從而可大大提高除塵系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。
（4）當(dāng)變頻器工作于限流狀態(tài)時，不受輸出短路的影響，這就避免了當(dāng)發(fā)生電機(jī)或電纜短路等故障時，造成變頻器功率元件的損壞。
（5）高性能及成熟的全數(shù)字化SIMADYND控制系統(tǒng)可用作開環(huán)控制和閉環(huán)控制平臺，它具有靈活的標(biāo)準(zhǔn)軟件，速度極快的全數(shù)字化32位信號處理器，便于操控和觀測的良好用戶界面，本地診斷程序以及通過調(diào)制解調(diào)器的遠(yuǎn)程診斷功能。SIMVOERTMV模塊化設(shè)計不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊，而且也增強(qiáng)了系統(tǒng)的維修便利性，因而提高了系統(tǒng)的可利用率。在設(shè)備運(yùn)行的情況下風(fēng)扇在半小時內(nèi)可完成更換。不必使用特殊工具，只需5min就可完成IGBT功率模塊的更換工作，光纖觸發(fā)裝置UEL采用可插式結(jié)構(gòu)。SIMADYND控制板以及供選用的調(diào)制解調(diào)器接口卡也都是插入式的。模塊錯誤信息的時序記憶功能可迅速排除整個傳動系統(tǒng)的故障，例如：斷路器、電網(wǎng)欠電壓或過電壓、變壓器監(jiān)測、風(fēng)扇故障、電機(jī)監(jiān)測，IGBT監(jiān)測、直流環(huán)節(jié)電壓、接地故障監(jiān)測、輔助電壓監(jiān)測等。
（6）該變頻器具有強(qiáng)大的通信功能，在風(fēng)機(jī)除塵工藝系統(tǒng)中，爐前工藝吹煉狀態(tài)識別可通過PLC方便實現(xiàn)。由于采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，該變頻器與上位PLC系統(tǒng)之間只需通過Profibus通信模塊和一根通信電纜實現(xiàn)聯(lián)結(jié)，減少了操作臺及控制臺之間大量的電纜連接及因此帶來的諸多問題。
工藝特點
煉鋼的工藝過程以及風(fēng)機(jī)特性是我們選擇中壓變頻器的主要原因。
煉鋼廠氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中產(chǎn)生大量的煙氣，用風(fēng)機(jī)抽取煙氣經(jīng)一文、二文水過濾除塵。大部分國內(nèi)廠家的除塵風(fēng)機(jī)采用液力耦合器調(diào)速，雖降低了電能消耗，但節(jié)能效果不佳；如果采用中壓變頻調(diào)速，通過網(wǎng)絡(luò)通信，及時判斷爐前吹煉狀態(tài)，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)輸出風(fēng)量，這不但方便有效，還可節(jié)省大量的電能。
從風(fēng)機(jī)的工作特性來看，調(diào)速控制與風(fēng)門控制調(diào)節(jié)風(fēng)量比較，有著更高的節(jié)能效果，通過圖1風(fēng)機(jī)的特性曲線可以說明其節(jié)能原理。圖中，曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速(n1)下的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性，曲線2為管網(wǎng)風(fēng)阻特性（風(fēng)門開度全開）。設(shè)工作點為A，輸出風(fēng)量Q1為100%，此時風(fēng)機(jī)軸功率N1與Q1H1的乘積，即和AH1OQ1所包圍的面積成正比。
根據(jù)工藝要求，風(fēng)量需從Q1降至Q2，有兩種控制方法：一是風(fēng)門控制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，調(diào)節(jié)風(fēng)門（開度減�。�，即增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變?yōu)榍�3，系統(tǒng)工作點由A移到B。由圖1可見，風(fēng)壓反而增加，軸功率N2與面積BH2OQ2成正比，減少不多。
圖1 風(fēng)機(jī)的特性曲線
另一種是調(diào)速控制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的的比例定律，畫出在轉(zhuǎn)速n2下的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性，如曲線4，工作點由原來的A點移到C點�？梢娫谙嗤L(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3與面積CH3OQ2成正比，顯著減少，節(jié)省的功率損耗ΔN與Q2ΔH的乘積成正比，節(jié)能效果是十分明顯的。
由流體力學(xué)可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，其消耗的功率降低很多。例如，風(fēng)量下降到80%，轉(zhuǎn)速也下降到80%，軸功率將下降到額定功率的51.2%。如果風(fēng)量下降到50%，其軸功率將下降到額定功率的12.5%。考慮到附加控制裝置效率的影響，這個節(jié)電效果也是很可觀的。
系統(tǒng)調(diào)試過程中的問題
風(fēng)機(jī)在起動過程中，其阻力矩隨著轉(zhuǎn)速的上升而迅速上升。當(dāng)起動完畢后，阻力矩達(dá)（0.6-0.9）Me，而轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)起動初期，由于滑動軸承中的油膜尚未形成，呈現(xiàn)的靜摩擦阻力矩較動摩擦阻力矩大的情況，并且在運(yùn)行環(huán)境中，CO等氣體殘污粘結(jié)，也影響到電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩。由于風(fēng)機(jī)是單吸雙支撐結(jié)構(gòu)，啟動時軸向力較大，在短時間內(nèi)風(fēng)機(jī)很難快速啟動，有時過流30%可持續(xù)10s以上，因此，時常造成變頻器過負(fù)荷保護(hù)性停機(jī)。針對這一狀況，筆者做了以下調(diào)整：
（1）增加啟動時間，減少啟動負(fù)荷。啟機(jī)一般都在轉(zhuǎn)爐吹煉之前，此時管路內(nèi)的空氣為冷態(tài)（冷態(tài)空氣密度比熱態(tài)空氣密度要大），達(dá)到相同出口風(fēng)量時，勢必會多做功，系統(tǒng)負(fù)荷加重。為減少風(fēng)量，我們將機(jī)前調(diào)節(jié)閥開度打到允許范圍內(nèi)的最小程度，約10°，轉(zhuǎn)爐二文喉口調(diào)節(jié)閥設(shè)定為12°。整個啟動過程中風(fēng)機(jī)入口風(fēng)量可控制在20000m3/h以內(nèi)。
（2）由于風(fēng)機(jī)啟動時工況比較特殊，在此期間會發(fā)生短時電流超過額定電流1.3倍左右(額定電流：175A，峰值電流：210A)。經(jīng)過筆者多方查證，認(rèn)為這是變頻器允許的。變頻器對短時過電流的保持時間可做調(diào)節(jié)，最大值為30s，我們經(jīng)過反復(fù)實驗，調(diào)整為12s，此時完全滿足了需要。
（3）由于宣鋼煉鋼廠的高壓電網(wǎng)時常產(chǎn)生波動，使得變頻器經(jīng)常出現(xiàn)35kV過電壓故障，需進(jìn)行內(nèi)部復(fù)位，后來將變頻器輸入電壓允許范圍由原來的±5%改為±10%后，故障消除。
（4）由于主PLC系統(tǒng)選用的是AB公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，而變頻器選用的是西門子廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，在調(diào)試初期，經(jīng)常出現(xiàn)通信連接不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)丟失等問題，這就使得變頻器必須直接從操作臺上取風(fēng)機(jī)的高/低速開關(guān)量信號來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的高/低速轉(zhuǎn)換控制。由于這樣操作工相當(dāng)于手動控制，而且還必須由爐前操作工通知當(dāng)前轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)狀態(tài)才能進(jìn)行相應(yīng)的手動高/低速轉(zhuǎn)換動作，給生產(chǎn)帶來了很大的不便。針對這一問題，筆者對第三方SST-PFB-CLX通信模塊進(jìn)行了版本升級，通過對該模塊的重新配置，建立了以SST-PFB-CLX模塊為主站，變頻器為從站的通信模式，這樣相應(yīng)地就可在原來的控制程序中添加了通信程序，PLC將采集到的信號進(jìn)行內(nèi)部處理后向變頻器發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令，變頻器經(jīng)過處理后，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的高/低速調(diào)速過程，從而完成了西門子變頻器與A-BPLC之間的通信，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)隨轉(zhuǎn)爐兌鐵和出鋼完畢的高低速自動轉(zhuǎn)換。整個過程無需人工干預(yù)，不僅降低了操作工的勞動強(qiáng)度，同時也為后來的轉(zhuǎn)爐煤氣自動回收提供了條件。
從投產(chǎn)后的應(yīng)用效果來看，變頻器限制了起動電流，減少了起動時的峰值功率損耗；改善電網(wǎng)功率因數(shù)，變頻器使系統(tǒng)功率因數(shù)保持在0.95以上；消除了電動機(jī)啟停時機(jī)械的沖擊，延長了風(fēng)機(jī)的使用壽命，減少了維護(hù)量；系統(tǒng)壓力降低，緩解了管道的壓力和密封等條件，延長了使用壽命；電機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度下降，潤滑條件、傳動裝置的故障率都得以下降。
效益分析
吹煉時，風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度為1000r/min，電機(jī)電流平均值I1=100A。
非吹煉時，風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度為600r/min，電機(jī)電流平均值I2=40A。
風(fēng)機(jī)每年運(yùn)行時間按330天計算。
（1）連續(xù)生產(chǎn)時，每爐吹煉周期35min，其中17min為吹煉時間，18min為等待時間。一臺轉(zhuǎn)爐每天平均生產(chǎn)40爐鋼，則：
每天吹煉時間t1：40×（17÷60）＝11.3小時
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每天非吹煉時間t2：24－11.3＝12.7小時
（2）風(fēng)機(jī)高速時（吹煉狀態(tài)）電機(jī)消耗平均功率：
P1＝×Ue×I1×CosΦ＝×4000×100×0.86＝596kW
（3）風(fēng)機(jī)低速時（非吹煉狀態(tài)）電機(jī)消耗平均功率：
P2＝×Ue×I2×CosΦ＝×2400×40×0.86＝143kW
全天用電量計算：
W1＝P1×t1＋P2×t2＝596×11.3＋143×12.7＝8551kWh
不采用變頻器，用電量與風(fēng)機(jī)始終高速運(yùn)行相差無幾，為：
W1＝P1×（t1＋t2）＝596×24＝14304kWh
（4）一臺風(fēng)機(jī)一年節(jié)省的電費(fèi)（0.4元/kWh）為：
330×（14304－8551）×0.4＝75.9萬元
從上面的計算可以看出，采用變頻器實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)調(diào)速，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益都十分可觀。不僅節(jié)約了大量電能，而且由于中壓變頻器的高可靠性使得一次除塵系統(tǒng)故障率降低，明顯地減少了轉(zhuǎn)爐停吹的次數(shù)。
宣鋼煉鋼廠80噸轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)投入變頻器后，實現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的高低速自動轉(zhuǎn)換過程，與國內(nèi)同類型鋼廠比較，采用變頻器進(jìn)行調(diào)速的鋼廠較未采用變頻器調(diào)速的鋼廠相比，由于風(fēng)機(jī)原因，減產(chǎn)大為減少，這也在很大程度上說明將變頻器應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有推廣應(yīng)用價值。 |
