高压变频器在衡钢高压除尘风机上的应用2

1、高压变频调速节能技术在除尘风机上的应用陈建国（湖南衡阳华菱钢管有限公司生产制造部 衡阳 421001）摘要 高压变频器在钢铁企业高压风机、水泵有了大量的应用，给钢铁企业节能减排做出了贡献。2011年9月湖南衡阳华菱钢管有限公司炼铁分厂4台高压除尘风机采用了高压变频器，同时改进了控制方式，降低了除尘风道漏风率，取得了显著节能效果和社会效益。关键词 高压变频器 除尘风机 节能High voltage frequency conversion speed regulation and energy saving technology in the application of the dust bl

2、owerChen jianguo(Hunan Hengyang Valin steel pipe Limited company production department Hengyang 421001)Abstract High voltage frequency converter in iron and steel enterprise high pressure fan, water pump has many applications, to the iron and steel enterprise energy saving and emission reduction con

3、tribution. 2011September Hunan Hengyang Valin steel pipe Limited company Ironmaking Factory 4high voltage dust blower adopts high voltage frequency converter, and the improvement of the control mode, reduce the dust collecting duct leakage rate, gained remarkable energy saving effect and social bene

4、fitKey words: High voltage frequency converter dust removal fan energy saving1 湖南衡阳华菱钢管有限公司（简称衡钢）炼铁分厂4台高压风机配置及其运行存在的问题1.1 4台除尘风机铭牌及运行参数类别参数名称出铁场除尘风机矿焦槽除尘除尘风机机尾配料除尘风机整粒除尘风机铭牌参数电机型号YKK710-6YKK710-6YKK710-10YKK5603-8额定功率2000kW1800kW1120kW630kW额定电压10 kV10 kV10 kV10 kV额定电流141.9 A129.4 A85 A47.4 A额定转速994r

5、/min995r/min597r/min746r/min功率因数0.860.860.790.8改造前基准功率971.68 kW905.85 kW951.45 kW376.84 kW运行参数风机入口阀门开度100%50%60°65%液力耦合器输出转速700 r/min（高速）；280 r/min（低速）无无无备注出铁场风机配置液力耦合器，每个出铁周期，高低速运行时间一般情况下为1小时和25分钟。1.2 4台除尘风机运行存在的问题1.2.1出铁场除尘风机运行存在的问题1）高炉在生产过程中，出铁场产生大量的烟尘，污染环境，根据国家法规，需要除尘处理。除尘风机是一个间隙性的工作制度，即高炉出

6、铁时高速使用，不出铁时低速使用。 图1：高炉炼铁出铁场工艺周期图。图1中：A到B、E到F为高炉冶炼时间；B到C、F到G为升速时间，可以调节；C到D、G到H为高炉出铁时间；D到E、H到I为减速时间，可以调节。每次高炉出铁时间约1小时，为高速段；高炉冶炼时间约25分钟，为低速段。出铁场除尘风机高低速调速采用液力耦合器，这种调速方式存在以下弊端：(1）液力偶合器靠油量和负荷的拉动调速，调速精度低，线性度差，升减速响应慢；(2）液力偶合器本身包含油路，水路等多套系统，故障率高，液力偶合器一旦故障，只能停机维修，无法切换至工频旁路运行，造成设备停产，不能满足连续生产的需要； (3）电动机的效率低，损耗大

7、，低速运行时，效率极低，有近3/4的能量被浪费；2）高低速之间的控制一般采取电话联系的方式，即由中控室操作人员电话联系除尘值班室值班人员进行高低速调整。现场实际存在通知不及时、不调速、高速长期运行（特别是晚上）等问题，耗费能源。1.2.2矿焦槽除尘、机尾配料和整粒除尘风机1）在生产过程中常常需要根据生产的实际情况不断调整风机的风量、负压等风系统参数，使之满足生产。以上3台除尘风机均采用调节风门的方式调节系统参数，这种调节方式是最原始的调节方法，仅仅是改变通道的流通阻力，其开合度大小不与流量成比例，从而驱动源的输出功率并没有改变，浪费了大量电能，而且风门调节人工操作控制精度差、无法实现自动化控制

8、，容易误操作，且设备使用效率不高，不能充分满足工艺要求。2）以上3台风机风道都存在不同程度的漏风情况，无用负荷增大，提高了能耗。2 4台高压风机节能改造采取的措施2.1 高压变频调速节能技术2.1.1高压变频调速节能技术简介采用高压变频调速技术对以上4台高压风机进行节能改造，改造后正常生产时4台高压风机的风门全部打开，通过高压变频调速系统调整输入给高压风机电机的运行频率来满足正常生产，同时节约电能；高压变频调速系统可实现就地和远程控制：远程控制通过设置在4台高压风机相关除尘值班室的上位机来实现；就地控制通过高压变频调速系统控制柜上的的操作屏来实现。4套高压变频调速系统主回路均设置一拖一手动旁路

9、方式，当高压变频器退出工作时，可手动切换到旁路工频系统，不影响生产的正常进行。2.1.2高压变频调速系统节能原理 采用变频调速时（以平方转矩负载风机为例），可以按需要升降电机转速，改变风机的性能曲线，使风机的额定参数满足工艺要求，根据流体力学定律，变速前后风量、风压、功率与转速之间关系为：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=（n1/n2）2P1/P2=（n1/n2）3即流量与转速成正比；压力与转速成平方比；功率与转速成立方比。Q1、H1、P1设备在n1转速时的风量、风压、功率；Q2、H2、P2设备在n2转速时相似工况条件下的风量、风压、功率。图2：离心风机的风压H-风量Q曲线特性图风机在管路特性

10、曲R1工作时，工况点为A，其流量压力分别为Q1、H1，此时风机所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小风量到Q2，实际上通过增加管网管阻，使风机的工作点移到R2上的B点，风压增大到H2，这时风机所需的功率正比H2Q2的面积，即近比广BH2OQ2的面积。显然风机所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能。若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图可见功率的减少是明显的。22技术方案的设计2

11、2.1 主回路系统方案考虑到现场设备运行情况，建议现场抽风机设备变频系统采用一拖一手动旁路方式，一台变频调速系统传动一台风机的电动机。现场风机设备变频系统可以采用一拖一自动旁路方式。电动机可以变频运行也可以通过旁路方式工频运行，工频运行和变频运行可以根据现场需要切换。一拖一手动旁路系统成套设计方案如下：方案：此方案是手动旁路的典型方案。原理是由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3和高压开关QF、电动机M组成（见下图）。要求QS2和QS3之间存在机械互锁逻辑，不能同时闭合。变频运行时，QS3断开，QS1和QS2闭合；工频运行时，QS1和QS2断开，QS3闭合。高压开关QF、电动机M为现场原有设

12、备。旁路柜尺寸（宽×高×厚）：1200×2320×1200带隔离的一拖一自动旁路柜主电路系统基本原理：它是由3个高压真空接触器KM1KM3和2个高压隔离开关QS1和QS2组成（见下图）。要求KM1、KM2不能和KM3同时闭合，在电气上实现互锁。变频运行时，KM1和KM2闭合，KM3断开；工频运行时，KM3闭合，KM1和KM2断开。QF高压断路器、M风机电动机为现场设备。详细介绍：1）进线端装有高压带电显示装置；2）照明灯为柜门式照明灯；3）外加输入、输出端子；分别有KM1、KM2、KM3及工频、变频的状态指示。外形尺寸：1200mm×1200m

13、m×2320mm优点:在变频调速系统出现严重故障时，负载能够自动转入工频电网中，切开变频调速系统，并且负载不用停机；另外可以在旁路运行的情况下断开QS1和QS2检修变频调速系统。该系列变频采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。变频调速系统具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，不需要更换电机。22.2 控制系统方案变频调速系统可由现场主控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对风机电动机转速控制。变频系统和远方控制系

14、统进行通讯连接，从控制上发出变频调速系统的启动、停机等信号。变频调速系统反馈以下信号接入到DCS上： (1)报警及故障信息：重故障报警、轻故障报警；(2)调速装置的状态信息：待机状态、正常运行状态、故障状态、系统旁路状态；（3）电机电流、转速、电压等。 以下为变频调速系统与现场控制系统具体接口：A、变频调速系统需要提供的开关量输出6路：(1) 变频调速系统待机状态指示：表示变频调速系统已待命，具备启动条件。(2) 变频调速系统运行状态指示：表示变频调速系统正在运行。(3) 变频调速系统控制状态指示：节点闭合表示变频调速系统控制权为现场远程控制；节点断开表示变频调速系统控制权为本地变频调速系统控

15、制。(4) 变频调速系统轻故障指示：表示变频调速系统产生报警信号。(5) 变频调速系统重故障指示：表示变频调速系统发生重故障，立即关断输出切断高压。(6) 电机在工频旁路：表示电动机处于工频旁路状态。以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为AC220V、3A/DC24V，1A。B、变频调速系统需要提供的模拟量2路：(1) 变频调速系统输出转速(2) 变频调速系统电机电流变频调速系统提供2路420mADC的电流源输出（变频调速系统供电），带负载能力均为250。C、需要提供给变频调速系统的模拟量1路：变频调速系统转速给定值现场提供1路420mADC二线制电流

16、源输出，带载能力必须大于250，420mADC对应转速低高限，须呈线性关系。D、需要提供给变频调速系统的开关量有2路：(1) 启动指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频调速系统开始运行。(2) 停机指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频调速系统正常停机变频系统具有如下特点：风机变频系统，既可以变频调速运行，也可以直接投工频运行；为变频调速系统提供的交流220V控制电源掉电时，变频调速系统可以通过内部配置UPS供电使控制系统继续运行达30分钟；现场如果采用交、直流220V双路供电时，变频装置能按照交流电源优先的原则进行交、直流无扰切换供电，保证供电可靠性。在现场DCS速度给定信号掉线时，变频调速

17、系统提供报警的同时，可按原转速继续运转，维持机组的工况不变；变频调速系统配置单元旁路功能，在局部故障时，变频调速系统可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失。223单模块旁路技术目前我们所用的核心组件：第三代Zinvert系列高压变频调速系统采用单模块旁路技术，较第一、二代单元模块旁路技术具备了更高的安全性能和可靠性能。单元旁路技术是指当高压变频系统运行过程中出现一个功率单元故障时，系统可以自动旁路故障单元同时旁路故障单元的同一级其它两个功率单元实现系统降额运行。当A相第3级功率单元发生故障时，系统将自动旁路A3功率单元；同时旁路B3和C3功率单元停止工作。从而，保证变频调速系统

18、的输出三相电压平衡。每相的有效工作电压由原来的3460V降低至2780V，三相输出的线电压最高值4800V；即，变频有效负荷降低为80。旁路图解见下图示。第三代产品应用的单模块旁路技术是指当高压变频系统运行过程中出现一个功率单元故障时，系统可以自动旁路故障单元，同时改变三相输出电压的相位角保证线电压平衡。从而，有效提高模块故障情况下的系统载荷；最大限度的减低因功率单元故障给生产带来的比例影响。当A相第3级功率单元发生故障时，系统将A3功率单元自动旁路；根据三相电压矢量叠加为零的原理，运用高速数字处理器增加AC相位角值，减小BC相位角，在500S内完成相位角调整。有效输出载荷位额定负荷的93，较

19、单元模块旁路技术高出13。7的负荷减低对于风机和水泵负载设备而言，相当于仅减少了1.91的流量值。几乎对机组运行不产生任何影响，大大提高了系统安全可靠性。旁路图解见下图示。2.3 漏风处理针对矿焦槽系统卸灰口密封不严、机尾配料除尘和整粒除尘风道管道破损等问题，由炼铁分厂组织进行全面检查，实施阀门密封和管道焊接、更换，大大降低了漏风率。2.4 针对出铁场除尘风机定制的其它措施2.4.1 定制高压变频器，具备功率单元自动旁路功能功率单元自动旁路功能：成套装置每相高压逆变输出由各功率单元箱的输出移相串联叠加而形成，当功率单元内部出现故障时可自动将该功率单元旁路，每相剩余功率单元继续运行，一般变频运行

20、情况下负载无需降额运行。旁路过程中无需人为操作，由系统自动完成，这样就保证了三相电压、电流平衡，保证高压风机运行稳定性。2.4.2 高压变频节能改造后正常运行3个月后拆除液力耦合器。2.4.3 采用半自动控制方式调整高压变频器高低速在高炉出铁平台安装监控系统，对两个出铁口的开炮机、堵口机的动作及出铁口铁水情况进行监控，在除尘值班室设置监控电脑，值班人员通过监控电脑里面的情况，在上位机对高压变频器进行远程控制高低速。2.5 其它亮点措施2.5.1 机房通风散热既确保效果又运行经济通风散热和防尘是影响高压变频器使用寿命的重要方面。根据现场的实际情况，综合冷却系统的投资和运营成本，采取风道开放式冷却

21、和空调式冷却相结合的冷却方案，基本保证机房无负压：夏季环境温度高时采用风道加空调辅助冷却，其它季节采用风道冷却。其中进风口距离地面50厘米，位置正对需散热风量最大的功率单元柜和变压器柜，进风口采用双层过滤网，尽可能防止灰尘进入机房。图3：机房平面布置图2.5.2 每套高压变频器备置一块功率单元模块。3 实施效果运行半年来，节能效果和社会效益非常明显，以2012年2月份单月为例：4台风机共节约718451千瓦时，折合节约标煤246吨。节能设备运行情况良好，机房温度低，灰尘较少。如下表所示：类别单位出铁场除尘风机矿焦槽除尘风机机尾配料除尘风机整粒除尘风机1、基准功率(改造前)KW971.68905.85951.4537