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利德華福高壓變頻調(diào)速技術(shù)在電爐除塵風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用
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                           北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 供稿
 
摘  要:本文介紹了河北鋼鐵集團(tuán)舞鋼公司一煉鋼廠3#LF電爐的增壓風(fēng)機(jī)采用北京利德華福高壓變頻調(diào)速技術(shù)的理論依據(jù)及其調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計,高壓變頻調(diào)速在使用中應(yīng)注意的一些技術(shù)問題,以及產(chǎn)生的較好運行效果和顯著經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞:高壓變頻器   增壓風(fēng)機(jī)   調(diào)速技術(shù)
 
【中圖分類號】TN86       【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B       文章編號1561-0330(2012)03-0000-00
 
1引言
 
眾所周知,鋼鐵企業(yè)是耗能大戶,而舞鋼公司長期以來都非常重視高耗能用電設(shè)備的節(jié)能工作。尤其是對除塵風(fēng)機(jī)這種用電量大的設(shè)備,更是從設(shè)計、安裝、使用等方面考慮其節(jié)能問題,因為除塵風(fēng)機(jī)的電耗約為噸鋼20.5kWh,煉鋼的動力電耗約為噸鋼6.8 kWh,除塵電耗約占煉鋼用電的75%。因此,舞鋼公司在為3#LF電爐安裝除塵增壓風(fēng)機(jī)時選擇使用高壓變頻調(diào)速技術(shù)。  
 
2增壓風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的理論依據(jù)  
 
經(jīng)過舞鋼公司多位設(shè)備技術(shù)人員的論證,認(rèn)為對除塵風(fēng)機(jī)的高壓電機(jī)進(jìn)行有效的調(diào)速控制,是節(jié)約除塵風(fēng)機(jī)用電的最佳途徑。因為,由流體力學(xué)的基本定律可知,使用三相異步電動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)機(jī)負(fù)載屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其轉(zhuǎn)速n與風(fēng)量Q、壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系:風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比,壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比;而電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比,通過高壓變頻器來改變電源輸出的頻率,從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的平滑無極調(diào)速。離心式風(fēng)機(jī)在變速調(diào)節(jié)的過程中,如果不考慮管道系統(tǒng)阻力的影響,且壓力H與風(fēng)量Q成平方規(guī)律的變化,則風(fēng)機(jī)的效率可保持在最高效率的85%左右。
 
例如當(dāng)需要風(fēng)量為風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量的60%時,通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速至其額定轉(zhuǎn)速的60%,即通過高壓變頻器調(diào)節(jié)電源頻率至額定頻率的60%(30Hz)即可,這時所需要的軸功率將降至為原來的30%以下,而風(fēng)機(jī)的效率則基本保持在最高效率的85%左右。這樣即使考慮高壓變頻調(diào)速裝置本身的損耗等因素,其節(jié)電效果也是很明顯的。
 
如果采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的方式來控制風(fēng)量,則在系統(tǒng)設(shè)計時必須以最大的負(fù)荷量配置電機(jī)額定功率,而在實際生產(chǎn)中很少能夠達(dá)到滿負(fù)荷運行,且在液力耦合器調(diào)速至900r/min時,風(fēng)機(jī)的控制擋板開度只有40%,有50%以上的功率消耗在擋板調(diào)節(jié)閥門和液力耦合器上。這樣造成了電能的大量浪費,且直接起動時,會造成電網(wǎng)波動嚴(yán)重和機(jī)械沖擊較大,影響著系統(tǒng)的運行可靠性和設(shè)備壽命。
 
3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的裝置設(shè)計
 
3.1高壓變頻器系統(tǒng)原理及其參數(shù)
 
北京利德華福高壓變頻器采用性能優(yōu)良、技術(shù)成熟、安全可靠的完美無諧波功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)。由電網(wǎng)送來的三相6kV交流電經(jīng)過隔離移相變壓器變?yōu)?1組440V分別供給21個功率單元,每相上的7個功率單元輸出的單相SPWM波相疊加后,采用Y形連接,將形成線電壓為6kV的高質(zhì)量的正弦波輸出供給高壓異步電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)。主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術(shù),防止了電磁干擾,做到了高壓與低壓的完全隔離,具有極高的安全性。功率單元采用交-直-交變頻技術(shù),單相輸出,IGBT元件采用先進(jìn)高效的熱管散熱技術(shù),大大提高了的工作可靠性。高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

 
圖1 高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
 
現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)如下:高壓變頻器參數(shù):額定容量 350kVA、主變壓器類型:干式移相變壓器容量400kVA,變比6kV/21×440V,輸入電壓 6000V+15%-30%,高壓電網(wǎng)頻率50~60Hz,輸出電壓0~6000V,輸出頻率0~50Hz,調(diào)速范圍0~1000r/min,輸出電壓諧波含量<4%,功率因數(shù)96%,過載能力150%(3s),效率96%,控制柜與功率單元的傳輸:光纖傳輸,冷卻方式為超導(dǎo)熱管強(qiáng)制冷卻,工作環(huán)境,溫度-20°C~+45°C;電機(jī)參數(shù):額定電壓6kV,額定功率280kW,額定電流35.2A,額定轉(zhuǎn)速988r/m,功率因數(shù)82%。
 
3.2變頻調(diào)速系統(tǒng)組成及各部件的功能
 
增壓風(fēng)機(jī)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)屬于高-高電壓源型變頻器,直接6kV高壓輸入,直接6kV高壓輸出。變頻器主要由高壓開關(guān)柜、移相變壓器柜、功率模塊柜和控制器柜共4部分組成,如圖2所示。

                   
圖2 高壓開關(guān)柜
 
圖2中QF為帶綜合繼保的高壓斷路器,QS1、QS2、QS3采用手動隔離開關(guān),電機(jī)可以實現(xiàn)手動旁路。如果QS1、QS2閉合,QS3斷開時,電機(jī)可由變頻器控制調(diào)速運行;如果QS1、QS2斷開,QS3閉合時,電機(jī)工頻運行,可由QF直接啟停并進(jìn)行保護(hù)。變頻器可完全和電網(wǎng)脫離,便于維護(hù)與檢修。

 
圖3 變頻器功率模塊圖
 
圖3中功率模塊為基本的交—直—交單相逆變電路,整流側(cè)為二極管三相全橋,通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制,可得到單相交流輸出。每個功率單元額定輸出電壓為490V,串聯(lián)后輸出相電壓3430V,線電壓達(dá)到6kV。每個功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致,可以互換 。
 
4增壓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益
 
4.1從理論上分析節(jié)電效果
    目前舞鋼公司一煉鋼廠3#LF電爐與1#LF電爐使用的增壓風(fēng)機(jī)型號完全一樣,現(xiàn)在3#LF電爐所使用的風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速運行下的功率為P3,轉(zhuǎn)速為n3,系統(tǒng)運行頻率為40Hz;以前安裝的1#LF電爐使用的風(fēng)機(jī)使用液力耦合器(因為以前高壓變頻技術(shù)不成熟且價格極貴),工頻運行狀態(tài)下的功率為P1,轉(zhuǎn)速為n1,系統(tǒng)運行頻率為50Hz。根據(jù)本文的理論依據(jù)可得到:P3=(42.5/50)3×P1=0.62P1,當(dāng)然變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)的效率大約為工頻的85%,因此變頻調(diào)速后的實際效率為P3=(0.62/85%)×P1=0.72×P1,則節(jié)電效率為P=(P1-P3)/P1=28%。
4.2由實際功耗測量節(jié)電效果
3#LF電爐變頻增壓風(fēng)機(jī)與1#LF電爐液耦增壓風(fēng)機(jī)在某日8h的實際功耗的平均測量數(shù)據(jù)如附表所示。
 
附表  變頻調(diào)速與液耦調(diào)速的功耗對照表
時間
3#LF變頻調(diào)速
(280kW)
1#LF液耦調(diào)速
(280kW)
功率差
(kW)
8:00
280
283
3
9:00
198
279
81
10:00
204
277
73
11:00
198
279
81
12:00
189
280
91
13:00
218
281
63
14:00
200
280
80
15:00
198
284
86
 
由表中測量的數(shù)據(jù)得:變頻調(diào)速相比于液耦調(diào)速的功耗日平均可節(jié)電量為1674kWh,大約節(jié)省了24.88%的電量,基本上與理論依據(jù)相符合。由此每年節(jié)約電量為1674×341=57.08萬kWh(全年以341天計算,扣除每月2天的保養(yǎng)維修時間),考慮到變頻器的效率為96%,則年實際節(jié)電量為54.80萬kWh,節(jié)約資金為54.80×0.50=27.40萬元。
 
使用變頻調(diào)速后,每年還可以節(jié)約液耦油660kg、約8000元,節(jié)約冷卻水、節(jié)省維修費用約3000元。所使用高壓變頻器的成本約50萬元,設(shè)備總體投資成本可在2年時間內(nèi)可全部收回。
 
5高壓變頻器調(diào)速在使用中應(yīng)注意的一些技術(shù)問題
 
高壓變頻調(diào)速技術(shù)在除塵風(fēng)機(jī)中應(yīng)用,不僅能提高經(jīng)濟(jì)效益,而且能產(chǎn)生很大的社會效益,促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。但在技術(shù)上,要根據(jù)不同的生產(chǎn)設(shè)備,選擇相應(yīng)特性的變頻器,如在對除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速中,注意除必須考慮變頻器的提速、降速特性是否滿足除塵工藝的要求以外,還同時在技術(shù)上必須要考慮下列問題,以免帶來投資的損失。

  (1)電動機(jī)的安全運行是全廠除塵的根本保證,雖然變頻調(diào)速裝置是可靠的,但一旦出現(xiàn)問題,必須確保電動機(jī)安全運行,所以,必須實現(xiàn)工頻--變頻運行的切換系統(tǒng)(旁路系統(tǒng)),在生產(chǎn)過程中,采用手工切換如能滿足設(shè)備運行工藝要求,建議盡量不要選用自動旁路,對一般的小功率電機(jī),采用雙投閘刀方式作為手動、自動切換手段也是比較理想的方法。
 。2)對于大容量負(fù)荷的電機(jī)(如2000kW電機(jī)),在變頻改造后,要注意風(fēng)機(jī)可能存在共振現(xiàn)象,運行中,一旦發(fā)生共振,將嚴(yán)重?fù)p壞風(fēng)機(jī)和拖動電機(jī)。所以,必須計算或測量風(fēng)機(jī)--電機(jī)連接軸系扭振臨界轉(zhuǎn)速以及采取相應(yīng)的技術(shù)措施(如設(shè)置頻率跳躍功能避開共振點、軟連接及機(jī)座加震動吸收橡膠等)。
  (3)采用變頻調(diào)速控制后,如果變頻器長時間運行在1/2工頻(25Hz)以下,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降,電機(jī)散熱能力也下降,同時電機(jī)發(fā)熱量也隨之減少。所以電機(jī)的本身溫度其實是下降的,仍舊能夠正常運行而不至溫度過高。
 。4)變頻器不能由輸出口反向送電,在電氣回路設(shè)計中必須注意,如高壓變頻器的高壓開關(guān)柜接線圖中,要求QS2和QS3不能同時閉合,不僅要求在電氣二次回路中實現(xiàn)電氣的聯(lián)鎖,同時要求在機(jī)械上實現(xiàn)機(jī)構(gòu)互鎖,以確保變頻器的運行安全。
 。5)對于高壓變頻器系統(tǒng),體積相對較大,一般由4~5面柜體組成,對改造項目來講,一般都需要重新建造變頻器室。因此,選擇變頻器室位置,既要考慮離電機(jī)設(shè)備不能太遠(yuǎn),又要考慮周圍環(huán)境對變頻器運行可能造成的影響。變頻器的安裝和運行環(huán)境要求較高,為了使變頻器能長期穩(wěn)定和可靠運行,對安裝變頻器室的室內(nèi)環(huán)境溫度要求最好控制在40℃以下,如果溫度超過允許值,應(yīng)考慮配備相應(yīng)的空調(diào)設(shè)備。同時,室內(nèi)不應(yīng)有較大灰塵、腐蝕或爆炸性氣體、導(dǎo)電粉塵等。
 。6)要保證變頻器柜體和廠房大地的可靠連接,保證人員和設(shè)備安全。為防止信號干擾,控制系統(tǒng)最好埋設(shè)獨立的接地系統(tǒng),對接地電阻的要求不大于4Ω。到變頻器的信號線,必須采用屏蔽電纜,屏蔽線的一端要求可靠接地。
(7)變頻器開機(jī)調(diào)試前必須根據(jù)負(fù)載特點,將所有參數(shù)設(shè)定好,檢查無錯誤方可開機(jī)運行,特別注意變頻器輸出電流,在起動過程中,恒轉(zhuǎn)速過程中,減速過程中,都要認(rèn)真觀察,如果第一次設(shè)定的參數(shù)不是十分理想時,應(yīng)逐步接近。
 
6結(jié)束語
 
此次北京利德華福高壓變頻調(diào)速技術(shù)在3#LF電爐增壓風(fēng)機(jī)的實踐應(yīng)用表明,電機(jī)在啟動和調(diào)節(jié)過程中,轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化,電流沒有任何沖擊,解決了電機(jī)啟動時的大電流沖擊問題,消除了大啟動電流對電機(jī)、傳動系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力,大大降低了日常的維護(hù)保養(yǎng)費用,并且取得了較好的運行效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見,高壓變頻調(diào)速技術(shù)在電爐除塵風(fēng)機(jī)中的使用對其它用電量大的設(shè)備進(jìn)行變頻改造也起到了示范作用,尤其是可以探索在公司其他的除塵風(fēng)機(jī)中進(jìn)行推廣使用。
 
參考文獻(xiàn)()

 

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公司名稱: 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
聯(lián) 系 人: 總機(jī)轉(zhuǎn)
電  話: 010-010-89776666
傳  真: 010-69764853
地  址: 北京市昌平區(qū)陽坊鎮(zhèn)陽坊工業(yè)南區(qū)
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