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1.前言
河北永洋鋼鐵有限公司系中外合資企業，于1993年由原永年縣軋鋼廠、湖南常德城市建設開發公司和香港億洲有限公司合資成立，1994年10月正式投產。現有員工2000余人，其中中高級技術職員和治理職員150余人。公司占地面積20萬平方米，總資產11億元。有中型軋鋼生產線四條(800#軋機生產線一條, 650#軋機生產線一條和500#軋機生產線兩條),年生產能力70萬噸。
2. 改造背景
鋼鐵廠以其資源密集、能耗密集、生產規模大、物流吞吐量大等特點，長期以來一直被以為是煙塵排放量大、廢棄物多、污染大的企業。而電弧爐煉鋼是一些鋼鐵廠造成煙塵污染的主要來源之一。
電弧爐在冶煉過程中會產生大量高溫煙氣，如不收集處理，將造成非常嚴重的空氣污染。近年來，隨著冶煉工藝的進步，冶煉節奏大大加快，電弧爐用氧量猛增，隨之帶來的是煙氣發生量的成倍增加，除塵設施處理能力不斷改造加大。同時，煙氣除塵設施在煉鋼企業中作為輔助裝備，具有能源消耗量大、運行用度高的特點。長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產生的煙氣粉塵大小均使除塵風機全速運行，采用進口擋板開度調節，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。同時，根據電爐的特點，每個月電爐要洗2至4次爐底，每個月電爐要檢驗一次，一般檢驗24小時，由于電機是2240kW的高壓電機，運行在工頻狀態每次電機啟動非常困難，沒有特殊情況一般不停高壓風機，也就是說電爐檢驗時一般不停除塵風機，電機始終滿負荷運行，電能耗浪費很大。隨著市場競爭的不斷加劇，節能'>節能降耗、進步生產效率成為企業發展進步競爭力的有效手段之一�；谝陨显颍覀儗掍搹S除塵進行改造。
3.系統技術方案研究與選型
電爐煉鋼時產生的有害物污染主要體現在電爐加料、冶煉、出鋼三個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，由于吹氧或加礦石而產生大量赤褐色濃煙。在上述三個冶煉期中，氧化期產生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高。因此，電爐除塵系統按照氧化期的最大煙塵排量進行設計。在系統最大風量需求的基礎上增加1.1~1.3倍的安全閾度進行除塵風機選型設計。整個煉鋼過程中吹氧時期占30~35%，此時風機處于較高負荷運行，而其余時間則處于較低運行工況。很顯然，除塵系統的利用率很低且系統效率差。長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產生的粉塵大小均使除塵風機全速運行，采用進口擋板開度調節，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇，節能'>節能降耗、進步生產效率成為企業發展進步競爭力的有效手段之一。
電弧爐除塵系統'>電弧爐除塵系統結構圖
通過對冶煉工藝的分析：電爐在煉鋼過程的不同階段對除塵風量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉為最大，加料除塵為最低。鑒于電爐除塵系統中除塵風機的運行方式和設備特點，加上除塵風機是除塵凈化系統的動力中樞，一旦除塵風機不能正常運行，不但影響生產，造成巨大的經濟損失，還有可能威脅到現場生產職員的人身安全;另外，調速系統工作的環境比較惡劣;同時轉爐又周期性中斷吹氧;所以，和除塵風機配套的高壓調速系統，要求具有極高的可靠性�；谝陨瞎ぷ魈攸c，對變頻調速系統的主要要求如下：
1)要求變頻器要有高可靠性，長期運行無故障。
2)要求變頻器有旁路功能，一旦出現故障，可使電機切換到工頻運行。
3)調速范圍要大，效率要高。
4)有共振點跳轉設置，能使電機避開共振點運行，讓風機不喘震。
經過多方調研、比較，最后決定采用采用了一套深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發、生產的多單元串聯的高─高形式的CHH100系列10kV/2500kW高壓變頻器調速裝置。通過雙方技術職員的合作，共同制定了電弧爐除塵風機的變頻改造方案，改造方案如下：
(1).變頻調速技術在電爐除塵系統中應用后，主要體現了以下幾個特點：
(1.1)以前電氣和閥門等控制方式都應繼續保存，以便在風機系統在任何情況下都能運行。
(1.2)根據以往工程應用情況，現場的風機設備在正常調節過程，我公司CHH100系列變頻器都能滿足升降速調節的時間要求，可以不用單獨配置制動單元。
(1.3)除塵設備功耗隨電爐煉鋼生產工藝變負荷運行，進步了系統效率;實現了除塵系統的最佳工況運行。取得明顯的節能效果。
(1.4) 大大有效降低了除塵系統負荷率，延長了除塵器、除塵風機、除塵電機、煙道等設備的使用壽命。
(1.5) 對降低爐內熱量損失，公道控制過程溫度，確保終點溫度起到一定的作用。
(1.6) 對除塵系統進行變頻改造，有助于改善爐內吹煉工況，縮短煉鋼時間，進步鋼產量改善出鋼品質。
(1.7) 降低補爐期間的能耗和爐襯散熱損失。
(2).變頻器配置
根據現場的額定參數和實際運行工況,再結合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程地應用情況，我公司為其配置如下變頻器，其主要地參數如下：
(3).變頻系統切換旁路方案
我方提供的CHH100變頻器的旁路系統采用一拖一手動方案，變頻用具有轉速跟蹤功能，變頻與工頻能夠手動切換，其一次系統如下圖所示：
變頻調速系統由用戶開關、手動旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。手動旁路柜是由三個高壓隔離開關QS1、QS2、QS3組成,工廠通風。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯鎖要求設計，變頻器輸進輸出高壓隔離開關QS1、QS2和旁路高壓隔離開關QS3機械閉鎖，完全能夠保證變頻調速系統安全運行。
(1).在變頻運行狀況下，QS1、QS2閉合，QS3斷開。手動切換至工頻運行時(故障)，系統先停止變頻器輸出，斷開用戶開關, 再由機械操縱依次斷開QS1、QS2，然后機械操縱閉合QS3,使電機切換至工頻側，再合上用戶開關使電機工頻運行(需要軟起)，此過程手動完成;
(2).在工頻旁路運行狀況下QS3閉合，QS1、QS2斷開。手動切換至變頻運行時，系統先斷開用戶開關，由機械操縱斷開QS3，然后由機械操縱依次閉合QS1、QS2，使電機切換至變頻側，再合上用戶開關使電機變頻運行，此過程手動完成。
(4).控制方式
由于不同工藝階段的煙氣溫度有明顯差異，因此溫度的高低直接反映了電爐的運行工況。系統并沒有采用檢測電爐工作中粉塵濃度的方式來直接控制除塵風量，而是采集煙道溫度作為系統調節的基本參量，通過非線性函數關系推導出不同運行工況下的除塵風量參與系統控制。從工程角度講，溫度變送器可以在惡劣的產業場合應用，抗干擾能力強、工作穩定性好、控制精度高、安全可靠、免維護且價格便宜。而粉塵濃度檢測裝置價格昂貴、穩定性差、故障率高、維護量大、現場檢測點數據采集很難具有廣泛代表性等缺點�；谏鲜鲈�，選用除塵煙道的煙氣溫度作為現場過程量。同時，以吹氧量和冷風門開度作為除塵風量的修整參量，從而進步系統響應速度、改善控制品質、達到良好的除塵效果、實現除塵風量自動控制、降低運行職員勞動強度、進步系統效率，達到最佳的節電效果。具體的控制邏輯見下圖所示。
為了保證系統的可靠性，另外增加了除塵風量手動控制回路，對除塵風量的控制采用分段調速的方式由爐前操縱臺控制變頻運行的頻率點，從而實現不同運行工況下的風量調節。控制邏輯圖如下圖所示。
實踐證實：系統在設計了兩套控制方案后大大進步了系統的實用性和可操縱性，很好的滿足了現場生產要求。同時，在改善現場工作環境，進步產品質量，降低噸鋼能耗方面起到了積極作用。
4.英威騰CHH系列高壓變頻器技術特點
深圳市英威騰電氣股份有限公司，提供的CHH100系列變頻器除了具有一般廠家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點。
1)具有較強的功能，能夠滿足不同工況
CHH100系列高壓變頻器采用DSP系統與可編程系統巧妙的結合，控制系統高度集成化，設備器件主要采用進口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個功能碼，可以對啟動特性、運行模式等功能根據現場工況進行不同設定。CHH100系列高壓變頻用具有標準的RS485接口，可以通過RS485通訊接口(采用標準通訊協議)與DCS進行連接，也可以通過硬接線的方式與DCS系統進行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統很方便的對變頻調速系統進行監控。也可以進行不同參數設置，滿足現場其它各種不同工況。
2)全面的保護功能
CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護;主控系統采用DSP+PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸進電壓、輸進電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、過載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據現場不同的工況進行參數設定。內置雷擊過流保護裝置，有效進步設備保護功能和系統保護功能，完全能夠保證電源及電機的安全運行。
3)全面的參數記錄
CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數過過程變量，包括每個模塊的溫度、母線電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過通訊上傳至DCS系統，異常時對變頻器的狀態都有全面的記錄，以便現場職員更正確、更快捷地解決題目。
4)最大的電壓、電流冗余量設計
深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長為首要設計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設計冗余量較高。
5)電機轉速自動跟蹤功能
CHH100系列高壓變頻器在主電源母線切換(10秒內)過程中，變頻器能夠自動跟蹤電機的轉速，當主電源恢復后變頻器自動運行起來，保證了機組安全可靠運行。
6)功率模塊自動旁路技術
模塊自動旁路技術進步了系統的穩定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊自動旁路技術，可在1ms內旁路故障模塊，變頻器降額并可長期運行，等適當時候停機處理。
7)良好的電壓波動適應能力
CHH100系列高壓變頻器對電網電壓在±15%范圍內波動，變頻器能滿載輸出;電網電壓短時(30秒)下降至額定電壓的65%時，可繼續降額運行，不進行保護。
8)最有效的電磁干擾解決方案
深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器在模塊設計上，獨家采用后進線、前出線設計方案;結構方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，最有效保證變頻器的可靠運行。
9)公道的散熱系統
功率采用獨立的散熱風道，系統集中散熱的方式，散熱性能良好，滿載長時間運行溫升不超過25℃，良好的散熱系統可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長變頻裝置內部的器件使用壽命。
10)模塊化設計
CHH100系列變頻器，遵循模塊化設計理念，功率單元采用模塊化結構，各個相同的功率單元的結構、配置完全相同，可以非常方便的互換，從而利于生產的標準化，以及維修的標準化。
11)最簡潔操縱、最快捷維護
深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻用具有人性化的接口設計、界面簡潔清楚;操縱方便，采用抽屜式模塊設計，更換模塊僅需5分鐘;濾網更換方便、快捷。
5、節能分析
為了對除塵系統變頻改造后的效果進行評價，在系統投進正常運行一個月后對設備實際使用和節電情況進行了測定和數據分析。
隨機抽取2個正常生產日，將系統切換至工頻運行系統采用擋板控制調節風量。采用網側有功電度表進行耗電量計量。然后，連續采集變頻運行的2個正常生產日用電量進行變頻運行工況下的單耗計算，以期變頻運行的數據更接近真實運行工況，具體數據采樣值見下表。
通過對上表原始數據的處理，可以得出：除塵系統在變頻改造后較改造前，噸鋼除塵電耗降低了12.65kW?h。設備節電率高達42.648%，節能效果明顯。
工頻運行時記錄曲線
變頻運行時記錄曲線
截取工頻運行時煉一爐鋼除塵風機電流運行記錄曲線和變頻運行時煉一爐鋼的網側電流記錄曲線比較，可以直觀的看出風機電流降低明顯，設備運行工況更符合實際生產工藝需要。
6.結束語
可見，投進一臺深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器后，該設備全年節約電費均可達300萬元左右。另外，由于深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器功率因數可達0.95以上，大于電機功率因數0.89，減少大量無功。并且實現電機軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機盡緣的影響，減少電機維護量，節約檢驗維護用度，同時電機壽命大幅度延長。減輕了運行職員的勞動強度，深受運行職員和維修職員的歡迎。除塵風機經變頻器改造后，節能效果明顯，達到設計要求，該系列變頻器的先進性、可靠性已得到很多產業應用的證實。
參考文獻：
[1] 風機水泵節能改造指南 (國家經濟貿易委員會資源節能綜合利用司編).
[2] 交流電動機變頻調速節能技術指南 (國家經濟貿易委員會節能信息傳播中心編).
[3]《CHH100系列使用說明書》
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