摘 要：本文結合轉爐除塵風機運行的實際工況，介紹了山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓變頻器在唐山鋼鐵集團第二鋼軋廠轉爐二次除塵風機中的應用。通過改造，實現了轉爐除塵風機的高效運行，達到了節能降耗的目的。
關鍵詞：高壓變頻器 轉爐除塵風機 節能降耗
Abstract: The paper introduces the application of the high voltage inverters produced by Shandong WindSun Electronics Science &Technology Co., Ltd.based on the actual the converter of the fans for dust removal condition in the Tangshan Steel works.The reconstruction implements the efficient running of the converter of the fans for dust removal,reached the objective of saving energy.
Key words: High voltage inverter The fans of converter fans for dust removal Energy-saving
1前言
唐山鋼鐵集團公司第二鋼軋廠坐落在唐鋼股份公司大院內，廠區面積約1.8km2，有加料煉鋼、一、二、三期連鑄、高線軋鋼、棒材軋鋼、型鋼軋鋼等主要廠房11座,廠房總建筑面積約251966m2。唐鋼第二鋼軋廠煉鋼設備有55t頂底復吹煉鋼轉爐4座，全弧型連鑄機5臺，其中1、2號機為一期連鑄，生產165×280、160×225、165×165三種規格連鑄矩型坯和方坯，年設計能力為60萬t。3號機為二期連鑄，生產150×150方坯，設計能力為22.5萬t/y，5號機和6號機為三期連鑄，生產的產品規格為150×150、165×165兩種方坯，設計能力為65萬t。目前我廠煉鋼、生產連鑄坯達400萬t。
2 煉鋼工藝介紹
2.1 原料貯運
轉爐冶煉所需原料主要為高爐鐵水、廢鋼、鐵塊。鐵水由煉鐵廠用內燃機車牽引魚雷罐車至鐵水倒罐站，由鐵水倒罐站將鐵水折入鐵水包，再兌入轉爐中冶煉。所需的廢鋼、鐵塊由電磁吊式起重機裝入廢鋼斗，再由起重機加入轉爐內，稱量通過天車電子稱完成。石灰石、鐵皮球等輔料，經皮帶輸送機送入高位料倉，通過稱量漏斗稱量后經溜槽加入轉爐內。
2.2 轉爐冶煉
處理好的廢鋼按工藝要求加入轉爐，高爐鐵水由鐵水包按要求亦加入轉爐內，然后將轉爐搖至垂直，從爐口插入氧槍供氧吹煉。轉爐采用頂底復吹工藝。生產中根據工況和所要冶煉的鋼種加入散裝料。當氧槍吹煉達到預定參數，即可提升氧槍及煙罩，進行測溫及取樣工作。
在鋼水溫度、成分合格后，將轉爐傾動，同時將爐下部軌道上鋼水包車移動至出鋼位置進行出鋼。轉爐出鋼時，氧槍處于高位，二次除塵系統高速工作。出鋼后，開始加入鐵合金。在加入過程中，通過調整鐵合金加料槽的位置，來保證鐵合金在加入時間、加入位置上能夠熔化完全，并在出鋼鋼流的沖擊下攪拌均勻。
出鋼完畢后，轉爐恢復到垂直狀態，鋼水包進入連鑄工序進行連鑄。
2.3轉爐除塵
我廠轉爐除塵系統由五臺一次除塵、四臺二次除塵以及一臺綜合除塵組成。在轉爐煉鋼過程中隨著冶煉的階段不同，煙氣收集方式也不同，為此我廠合理配置除塵，盡量達到理想的環保要求，在天車調包到轉爐平臺的階段產生煙塵主要通過廠房頂部的頂吸綜合進行處理，在轉爐裝鐵和出鋼階段產生的煙塵主要通過二次除塵處理，在轉爐冶煉的階段產生的煙塵主要通過一次除塵處理。煙氣通過轉爐一、二次除塵系統進行處理，回收的含氧化鐵粉塵用于燒結或造球后用于煉鋼生產。處理后回收的高濃度一氧化碳作為燃料用于軋鋼生產等。煙氣汽化冷卻煙道產生的煙氣帶出的熱量可以副產水蒸汽。
3 改造的必要性
在轉爐煉鋼過程中，不可避免地會產生大量的煙氣。但是在一個吹煉周期中煙氣的產生量以及收集方式是不同的，在吹煉期會有大量的煙氣產生并且由活動煙罩收集通過一次除塵處理，少量溢散的煙塵通過布置在爐口四周的二次除塵管道收集，在非吹煉期基本上沒有有害的煙氣，但是轉爐在裝鐵和出鋼時將產生一定量的煙塵，由于此時轉爐傾動為水平狀況，一次除塵基本不起作用，所以這部分煙塵主要由布置在爐口四周的二次除塵吸口收集處理。在一個吹煉周期中，對一、二次除塵風機風量的要求如圖1所示：
其中：A¬¬¬¬¬-C段為加廢鋼和兌鐵水時間；
C點為轉爐擎動信號
D-H段為吹氧時間
H點為氧槍退出信號
I-K段為出剛時間
K-M段為到渣和護爐時間
由此可以看出，在一個吹煉周期中，對一、二除塵風量的要求是不同的。其中二次除塵風機僅在冶煉周期的裝鐵和出鋼階段起主要作用。在工頻狀態下，除塵風機原系統在風機啟動后電動機按額定的轉速運行。在整個生產過程中原系統的電動機始終處于滿負荷的狀態下運行，風量主要通過擋板風門調節，無法達到合理的利用，造成了很大的風量和能量浪費。其次有煙氣時，由于煙氣的溫度高，相對密度小，系統運行還較為正常。在吹煉周期時，由于二次除塵風機吸入的是空氣，相對密度大，經常導致電動機過負荷運行，并且使用擋板風門調節時，存在執行機構的開度與流量的關系曲線的線性問題，往往自動控制系統無法正常工作。風機高速運行會導致電動機軸瓦的使用壽命非常短，不但增加了維修費用，而且大大增加了設備故障時間。除塵風機為離心式風機，啟動時間長，啟動電流大，對電動機和風機的機械沖擊力很大，嚴重影響其使用壽命。
應用高壓變頻調速技術，通過改變電動機的轉速來調節風量，可使電動機在生產過程中實現變速運行。在生產需要高風量時電動機高速運行，其余均為低速運行，大大縮短了高速運行的時間。由于電動機額定轉速與其軸功率呈三次方關系，當風機電動機的速度降低時，其節能效果是非常明顯的，從而大大降低了煉鋼的成本。
因此公司領導決定對我廠轉爐除塵風機進行變頻改造。經過考察和論證，選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP37/38高壓變頻器系列對轉爐除塵風機進行改造，改造達到了預期目的。
4風光公司高壓變頻調速系統技術特點
風光牌JD-BP37/38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。風光高壓變頻器被評為中國名牌產品。具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
(2)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
(3)完整的工頻/變頻自動互切技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
(4)旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
(5)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
(6)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
(7)單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍。
(8) 散熱結構設計合理，單元串聯多重化并聯結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue)，設備可靠性更高。
(9) 具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。
(10) 限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數。
(11) 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續運行。
5 主回路控制
為了最大限度的提高設備的利用率，從而保證生產，系統采用一拖一手動工/變頻切換方案，系統主回路控制原理如圖2所示。
旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻器前后隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
6 系統控制信號連接
依據生產工藝，可以利用氧槍退出信號和轉爐吹煉信號來進行二次風機電動機的高、低速度控制。為了滿足在裝鐵和出鋼時對煙氣量的處理要求，此時二次除塵電動機必須運行在最高速；吹煉時時煙氣量主要由一次除塵處理，將二次除塵的風量調到低速；其他時間轉爐基本不產生有害氣體，這時風機也低速運行即可。
當有轉爐氧槍退出信號時，變頻器給定信號是最高速，此時變頻器開始加速運轉，通過調節變頻器的加速時間，使變頻器迅速達到最高速，直至下一爐裝鐵完畢。當轉爐進行吹煉時，變頻器低速運轉信號給出，變頻器開始減速，電機運行在低速階段。變頻器的高、低速度值是可以按煙塵量隨時進行調整的，從而完全能夠滿足系統生產工藝的要求。
變頻器控制系統與現場之間的主要信號如表1所示：
7 變頻改造運行效果
除塵風機變頻改造后，2011年1月，5套高壓變頻器一次性投入生產，至今運行正常。經過廠設備科的測試，系統達到了預期的效果。轉爐二次除塵風機變頻改造后，風機電機輸入電流有明顯下降，設備實現了軟起動，改善了除塵設備的運行工況，極大地減輕了設備起動時對供配電系統的沖擊。改造效果是非常明顯的。
7.1 設備概況
二鋼四座二次除塵風機和一臺白灰通廊除塵風機全部配套轉爐長期運行，變頻改造前由于無法調節頻率，使電機長期處于高速運行，其中2#～4#爐二次除塵風機為1000kW/6kV，1#二次除塵風機為1800kW/10kV，白灰通廊除塵風機為1000kW/6kV，二鋼四座二次除塵風機和一臺白灰通廊除塵風機及選用高壓變頻器設備如表2所示。
7.2節能效果分析
為了對比節能效果，統計在日均產量11000t的情況下，變頻改造前后運行耗電情況。表3為改造前工頻運行相關數據。
五臺除塵風機總功率為5800kW，實際消耗總電耗為11.399 kW•h /t.當全廠精煉品種鋼無特殊變動時（月產約5萬t時），五臺除塵風機總消耗電能占全廠總電耗的27.1%。
通過變頻改造后，根據實際工況進行自動調節頻率，主要是在裝鐵和出鋼時將二次除塵風機調至高速，吹煉時調至低速，在保證達到除塵效果的情況下能最大限度的節省電能，通過運行效果表明，節能效果很明顯，表4為改造后變頻運行相關數據。
改造后五臺除塵風機實際消耗總電耗為6.724 kW•h /t，整體節電比率為41.01%。按月產量33萬噸計，月節電為（11.399-6.724）kW•h /t *330000t=1542750 kW•h，年節電為1542750*12=18513000 kW•h。
7.3 間接效益
（1）變頻改造后，實現電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。
（2）有效地改善了現場運行環境，由于電機以及負載轉速下降，大大降低了設備噪聲污染，現場操作人員非常歡迎。
（3）功率因數提高到0.95以上，減少了線路損耗。
（4）減少了維護工作量和維護費用，延長了設備的使用壽命。
采用變頻技術調速后，設備隨生產工藝變速運行，大大降低了設備負荷率，延長了風機、電機等設備的使用壽命。
（5）變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與原來舊系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
（6）調速范圍寬，調速精度高。
與過去擋板調節風量相比較，采用變頻拖動風機可以在0～50Hz范圍內任意調節，調節精度高，調節頻率波動可保持在0.1～0.01Hz范圍內，便于實現風機系統自動化控制。
8 結束語
經過國內變頻器廠家的不斷努力，國內變頻器產品以其性能良好，性價比高，良好的本地化服務，廣泛應用于各行各業，并且綜合效益顯著，能短期內為用戶收回投資。隨著國家對節能減排工作力度空前加大，變頻調速技術發展前景十分廣闊，已迎來歷史黃金發展時期。
參考文獻
[1]山東新風光電子使用手冊[Z]. 山東新風光電子科技發展有限公司。
[2]山東新風光電子JD-BP37/38高壓變頻調速系統唐鋼公司調試大綱。
[3]山東新風光電子JD-BP37/38高壓變頻調速系統唐鋼公司驗收報告。
作者簡介
馬超空（1984~ ），男，電氣專工，供職于唐山鋼鐵集團公司第二鋼軋廠設備科。
