浅述高压变频技术在电弧炉除尘风机中的应用

 

　　1.前言

　　长期以来，不论电炉处于哪一个运行阶段，产生的粉尘大小均使除尘风机全速运行，采用入口挡板开度调节，效率低、功率大、造成大量的电能浪费。随着市场竞争的不断加剧，节能降耗、提高生产效率成为企业发展提高竞争力的有效手段之一。而在九十年代开始广泛应用的高压大功率变频调速技术则正是适应了市场的需求，在技术和应用领域上得到不断的进步和拓展。现在，已广泛应用于电力、石油化工、矿山、冶金、给排水、机车牵引等领域。

　　某炼钢厂正是在这种状况下，对电炉除尘系统进行高压变频技术改造研究的。该电弧炉除尘系统结构如下图一所示。电炉在冶炼过程中的粉尘主要通过炉顶烟道经沉降室沉积，水冷壁冷却后经除尘系统过滤排放；同时利用集尘罩将现场生产车间的粉尘和废气及时排走，以免危及电炉周边工作人员的安全、污染环境。除尘风机是将烟气吸收排放的主要设备。

　　2. 改造背景

　　长期以来钢铁厂因其资源密集、能耗密集、生产规模大、物流吞吐量大等特点，被认为是烟尘排放量大、废弃物多、污染大的企业。而采用电弧炉炼钢是一些钢铁厂造成烟尘污染的主要来源之一。

　　电弧炉（简称电炉）主要是通过用废钢、铁合金和部分渣料进行配料冶炼，根据不同的钢种要求，可以接受高炭铬铁水和脱磷铁水，然后熔制出碳钢或不锈钢钢水供连铸用。电炉炼钢时产生的有害污染物主要是在电炉加料、冶炼、出钢三个阶段。电炉冶炼一般分为熔化期、氧化期和还原期，其中氧化期强化脱炭，由于吹氧或加矿石而产生大量赤褐色浓烟。在上述三个冶炼期中，氧化期产生的烟气量，含尘浓度和烟气温度。因此，电炉除尘系统是按照氧化期的烟尘排量进行设计的。电炉在冶炼过程中的粉尘主要通过炉顶烟道经沉降室沉积，水冷壁冷却后经除尘系统过滤排放；同时利用集尘罩将现场生产车间的粉尘和废气及时排走，以免污染环境和危及电炉周边工作人员的安全。因此，除尘风机是将烟气吸收排放的主要设备。一般情况下，在系统风量需求的基础上增加1.1耀1.3倍的安全裕度进行除尘风机选型设计。整个炼钢过程中吹氧时期占30%耀35%,此时风机处于较高负荷运行，而其余时间则处于较低运行工况。但不论电炉处于哪一个运行阶段，除尘风机均全速运行，采用调节入口挡板开度来清理产生的粉尘，效率低、功率大、造成大量的电能浪费。随着市场竞争的不断加剧，节能降耗、提高生产效率成为企业发展提高竞争力的有效手段之一。

　　3.系统技术方案研究与选型

　　电炉炼钢时产生的有害物污染主要体现在电炉加料、冶炼、出钢三个阶段。电炉冶炼一般分为熔化期、氧化期和还原期，其中氧化期强化脱炭，由于吹氧或加矿石而产生大量赤褐色浓烟。在上述三个冶炼期中，氧化期产生的烟气量，含尘浓度和烟气温度。因此，电炉除尘系统按照氧化期的烟尘排量进行设计。在系统风量需求的基础上增加1.1~1.3倍的安全阈度进行除尘风机选型设计。整个炼钢过程中吹氧时期占30~35%，此时风机处于较高负荷运行，而其余时间则处于较低运行工况。很显然，除尘系统的利用率很低且系统效率差。长期以来，不论电炉处于哪一个运行阶段，产生的粉尘大小均使除尘风机全速运行，采用入口挡板开度调节，效率低、功率大、造成大量的电能浪费。随着市场竞争的不断加剧，节能降耗、提高生产效率成为企业发展提高竞争力的有效手段之一。

电弧炉除尘系统结构图

　　通过对冶炼工艺的分析：电炉在炼钢过程的不同阶段对除尘风量的大小有明显的不同，以吹氧冶炼为，加料除尘为。鉴于电炉除尘系统中除尘风机的运行方式和设备特点，加上除尘风机是除尘净化系统的动力中枢，一旦除尘风机不能正常运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失，还有可能威胁到现场生产人员的人身安全;另外，调速系统工作的环境比较恶劣;同时转炉又周期性间断吹氧;所以，和除尘风机配套的高压调速系统，要求具有极高的可靠性。基于以上工作特点，对变频调速系统的主要要求如下：

　　1)要求变频器要有高可靠性，长期运行无故障。

　　2)要求变频器有旁路功能，一旦出现故障，可使电机切换到工频运行。

　　3)调速范围要大，效率要高。

　　4)有共振点跳转设置，能使电机避开共振点运行，让风机不喘震。

　　经过多方调研、比较，决定采用采用了一套深圳英威腾电气股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的CHH100系列10kV/2500kW高压变频器调速装置。通过双方技术人员的合作，共同制定了电弧炉除尘风机的变频改造方案，改造方案如下：

　　（1）变频调速技术在电炉除尘系统中应用后，主要体现了以下几个特点：

　　（1） 除尘设备功耗随电炉炼钢生产工艺变负荷运行，提高了系统效率；实现了除尘系统的工况运行。取得显着的节能效果。

　　（2） 大大有效降低了除尘系统负荷率，延长了除尘器、除尘风机、除尘电机、烟道等设备的使用寿命。

　　（3） 对降低炉内热量损失，合理控制过程温度，确保终点温度起到一定的作用。

　　（4） 对除尘系统进行变频改造，有助于改善炉内吹炼工况，缩短炼钢时间，提高钢产量改善出钢品质。

　　（5） 降低补炉期间的能耗和炉衬散热损失。

　　(2).变频器配置

　　根据现场的额定参数和实际运行工况,再结合我公司的CHH100系列高压变频器在其它工程地应用情况，我公司为其配置如下变频器，其主要地参数如下：

　　1  变频器型号   CHH100-2500-10

　　2  额定容量  3000kVA

　　3  额定电压  10kV

　　5  额定电流  175A

　　6  控制方式  一拖一手动切换旁路

　　7  变频器数量  1台

　　(3).变频系统切换旁路方案

　　我方提供的CHH100变频器的旁路系统采用一拖一手动方案，变频器具有转速跟踪功能，变频与工频能够手动切换，其系统如下图所示：

　　CHH100系列手动一拖一高压变频系统图

　　变频调速系统由用户开关、手动旁路柜、CHH100系列高压变频器、高压电机组成。手动旁路柜是由三个高压隔离开关QS1、QS2、QS3组成。手动旁路柜严格按照“五防”联锁要求设计，变频器输入输出高压隔离开关QS1、QS2和旁路高压隔离开关QS3机械闭锁，完够保证变频调速系统安全运行。

　　(1).在变频运行状况下，QS1、QS2闭合，QS3断开。手动切换至工频运行时(故障)，系统先停止变频器输出，断开用户开关, 再由机械操作依次断开QS1、QS2，然后机械操作闭合QS3,使电机切换至工频侧，再合上用户开关使电机工频运行(需要软起)，此过程手动完成;

　　(2).在工频旁路运行状况下QS3闭合，QS1、QS2断开。手动切换至变频运行时，系统先断开用户开关，由机械操作断开QS3，然后由机械操作依次闭合QS1、QS2，使电机切换至变频侧，再合上用户开关使电机变频运行，此过程手动完成。

　　(4).控制方式

　　由于不同工艺阶段的烟气温度有明显差异，因此温度的高低直接反映了电炉的运行工况。系统并没有采用检测电炉工作中粉尘浓度的方式来直接控制除尘风量，而是采集烟道温度作为系统调节的基本参量，通过非线性函数关系推导出不同运行工况下的除尘风量参与系统控制。从工程角度讲，温度变送器可以在恶劣的工业场合应用，抗干扰能力强、工作稳定性好、控制高、安全可靠、免维护且价格便宜。而粉尘浓度检测装置价格昂贵、稳定性差、故障率高、维护量大、现场检测点数据采集很难具有广泛代表性等缺点。基于上述原因，选用除尘烟道的烟气温度作为现场过程量。同时，以吹氧量和冷风门开度作为除尘风量的修整参量，从而提高系统响应速度、改善控制品质、达到良好的除尘效果、实现除尘风量自动控制、降低运行人员劳动强度、提高系统效率，达到的节电效果。具体的控制逻辑见下图所示。

　　为了保证系统的可靠性，另外增加了除尘风量手动控制回路，对除尘风量的控制采用分段调速的方式由炉前操作台控制变频运行的频率点，从而实现不同运行工况下的风量调节。控制逻辑图如下图所示。

　　实践证明：系统在设计了两套控制方案后大大提高了系统的实用性和可操作性，很好的满足了现场生产要求。同时，在改善现场工作环境，提高产品质量，降低吨钢能耗方面起到了积极作用。

　　4.英威腾CHH系列高压变频器技术特点

　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。其应用的领域和范围也越来越为广范，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率的更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频调速技术，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远的意义。高压大功率变频调速装置被广泛地应用于大型矿泉水应用生产厂、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。

　　1)具有较强的功能，能够满足不同工况

　　CHH100系列高压变频器采用DSP系统与可编程系统巧妙的结合，控制系统高度集成化，设备器件主要采用进口器件，完成了比一般高压变频器的功能，具有300多个功能码，可以对启动特性、运行模式等功能根据现场工况进行不同设定。CHH100系列高压变频器具有标准的RS485接口，可以通过RS485通讯接口(采用标准通信协议)与dcs进行连接，也可以通过硬接线的方式与dcs系统进行连接。多种接口方式选择可以dcs系统很方便的对变频调速系统进行监控。也可以进行不同参数设置，满足现场其它各种不同工况。

　　2)全面的保护功能

　　CHH100系列变频器的功率单元自身就有多达11种的故障保护;主控系统采用DSP+PFGA巧妙配合，电气部分对输出电压、输出电流、输入电压、输入电流都有全面检测，对变频器电源及电机都有过压、过流、过载、欠压、温度等具有多达二十几种超强综合保护功能，并且重要的保护定值可以根据现场不同的工况进行参数设定。内置雷击过流保护装置，有效提高设备保护功能和系统保护功能，完够保证电源及电机的安全运行。

　　3)全面的参数记录

　　CHH100系列高压变频器显示多项运行参数过过程变量，包括每个模块的温度、母线电压都有检测与显示。具有故障、事故显示、记录功能，具有自诊断功能，所在信息可以通过通讯上传至dcs系统，异常时对变频器的状态都有全面的记录，以便现场人员更准确、更快捷地解决问题。

　　4)的电压、电流冗余量设计

　　深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器，以安全、可靠、使用寿命长为首要设计原则，采用1700V高压IGBT，9级或6级串联，电压裕量为2.0倍左右。功率器件电压安全设计冗余量较高。

　　5)电机转速自动跟踪功能

　　CHH100系列高压变频器在主电源母线切换(10秒内)过程中，变频器能够自动跟踪电机的转速，当主电源恢复后变频器自动运行起来，保证了机组安全可靠运行。

　　6)功率模块自动旁路技术

　　模块自动旁路技术提高了系统的稳定性，CHH100系列高压变频器采用功率模块自动旁路技术，可在1ms内旁路故障模块，变频器降额并可长期运行，等适当时候停机处理。

　　7)良好的电压波动适应能力

　　CHH100系列高压变频器对电网电压在±15%范围内波动，变频器能满载输出;电网电压短时(30秒)下降至额定电压的65%时，可继续降额运行，不进行保护。

　　8)有效的电磁干扰解决方案

　　深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器在模块设计上，采用后进线、前出线设计方案;结构方面和电气方面全面考虑电磁抗干扰措施，尤其是的控制板件，有效保证变频器的可靠运行。

　　9)合理的散热系统

　　功率采用独立的散热风道，系统集中散热的方式，散热性能良好，满载长时间运行温升不超过25℃，良好的散热系统可以确保变频装置的高可靠性，并延长变频装置内部的器件使用寿命。

　　10)模块化设计

　　CHH100系列变频器，遵循模块化设计理念，功率单元采用模块化结构，各个相同的功率单元的结构、配置完全相同，可以非常方便的互换，从而利于生产的标准化，以及维修的标准化。

　　11)简洁操作、快捷维护

　　深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器具有人性化的接口设计、界面简洁清晰;操作方便，采用抽屉式模块设计，更换模块仅需5分钟;滤网更换方便、快捷。

　　5、节能分析

　　为了对除尘系统变频改造后的效果进行评价，在系统投入正常运行一个月后对设备实际使用和节电情况进行了测定和数据分析。

　　随机抽取2个正常生产日，将系统切换至工频运行系统采用挡板控制调节风量。采用网侧有功电度表进行耗电量计量。然后，连续采集变频运行的2个正常生产日用电量进行变频运行工况下的单耗计算，以期变频运行的数据更接近真实运行工况，具体数据采样值见下表。

　　参数状态  运行时间（h）  累计电量KW/h）   产钢量（t）   吨钢除尘电耗（KW/h）

　　工频运行    48         88668           2989.344       29.661

　　变频运行   48          50852.16        2989.343       17.011

　　通过对上表原始数据的处理，可以得出：除尘系统在变频改造后较改造前，吨钢除尘电耗降低了12.65kW·h。设备节电率高达42.648%，节能效果显著。

　　工频运行时记录曲线

　　变频运行时记录曲线

　　截取工频运行时炼一炉钢除尘风机电流运行记录曲线和变频运行时炼一炉钢的网侧电流记录曲线比较，可以直观的看出风机电流降低明显，设备运行工况更符合实际生产工艺需要。

　　6.结束语

　　通过对河北永洋钢铁有限公司电炉除尘系统变频改造前后的技术分析，可以看出：在电弧炉除尘系统中应用高压变频调速技术不仅对有效改善现场生产状况，提高钢产量降低吨耗有着重要的意义；而且每年可节约230万元左右的电费开支。在电弧炉除尘系统中应用高压变频调速技术是完全正确的。