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1 引言

河北興華鋼鐵有限公司煉鋼廠(chǎng)有一座600噸混鐵爐，混鐵爐擔負著(zhù)煉鋼廠(chǎng)2座轉爐的提供鐵水任務(wù)，高爐鐵水注入鐵水罐，經(jīng)鐵路運輸至混鐵爐區域。兌鐵時(shí)天車(chē)吊起鐵水罐兌入混鐵爐，鐵水在混鐵爐內保溫，在轉爐需要鐵水時(shí)傾動(dòng)混鐵爐，將鐵水注入鐵水包中，供給轉爐。混鐵爐的煙塵嚴重污染環(huán)境。而混鐵爐的頂兌鐵給混鐵爐的兌鐵除塵煙罩安裝帶來(lái)一定的困難。即使勉強安裝其除塵效果也不理想。而且鐵水由鐵水罐兌入混鐵爐的同時(shí)，漂浮在鐵水表面鐵渣也一同倒入混鐵爐內，使得混鐵爐內鐵水液面位置爐襯耐火材料腐蝕嚴重，降低了爐襯的使用壽命。所以生產(chǎn)中要求控制鐵水的含渣量。

混鐵爐系統主要用于調節高爐連續生產(chǎn)和轉爐斷續生產(chǎn)的節奏，是調節高爐煉鐵和轉爐煉鋼的緩沖帶。混鐵爐設有一個(gè)兌鐵口和一個(gè)出鐵口，混鐵爐兌鐵或出鐵時(shí)，高溫的鐵水會(huì )同空氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應，產(chǎn)生大量的煙氣。為改善現場(chǎng)環(huán)境，降低污染，節約除塵成本，需要對混鐵爐的兌鐵、出鐵進(jìn)行除塵。該除塵設施配置Y4-73NO.235D除塵風(fēng)機一臺（配套電機功率800kW），混鐵爐除塵風(fēng)機在生產(chǎn)過(guò)程中需要不同風(fēng)量來(lái)適應混鐵爐兌出鐵工藝要求，為降低除塵成本，需對除塵風(fēng)機進(jìn)行調速控制。河北興華鋼鐵煉鋼廠(chǎng)領(lǐng)導經(jīng)過(guò)對比，通過(guò)招標方式選購了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38型高壓變頻器對風(fēng)機進(jìn)行調速控制。混鐵爐除塵風(fēng)機高壓變頻器于2014年4月份調試完畢投入運行，至今已穩定運行一年多。
2混鐵爐生產(chǎn)概述

混鐵爐采用側面兌鐵技術(shù)，兌鐵時(shí)混鐵爐在“0”位。在混鐵爐出鐵口下設置鐵水罐車(chē)軌道一條，并設軌道衡稱(chēng)量出爐鐵水重量。由于考慮到混鐵爐檢修或故障，以及混鐵爐本身的容量不足，部分高爐鐵水罐將直接從高爐鐵水罐翻入轉爐鐵水罐。
(1)兌鐵操作：當高爐鐵水罐車(chē)被火車(chē)運到混鐵爐區域以后，由混鐵爐區域行車(chē)吊將鐵水罐吊到混鐵爐一側準備兌鐵。此時(shí)，兌鐵操作工通過(guò)兌鐵操作臺操作兌鐵門(mén)開(kāi)蓋卷?yè)P機正向運行，將兌鐵門(mén)打開(kāi)，再操作在待機位的兌鐵小車(chē)正向運行至混鐵爐的兌鐵門(mén)處，將兌鐵槽口插入兌鐵門(mén)，同時(shí)兌鐵側的兩個(gè)除塵閥門(mén)打開(kāi)。行車(chē)吊在兌鐵小車(chē)就位以后就通過(guò)兌鐵槽將鐵水兌入混鐵爐。兌鐵結束后，行車(chē)吊將空罐吊回，兌鐵操作工操作兌鐵小車(chē)反向運行移至待機位，再操作兌鐵門(mén)開(kāi)蓋卷?yè)P機反向運行，關(guān)閉兌鐵門(mén)，同時(shí)兌鐵側兩個(gè)除塵閥門(mén)關(guān)閉。整個(gè)兌鐵過(guò)程結束。
(2)出鐵操作：當轉爐需要鐵水時(shí)，混鐵爐鐵水罐車(chē)操作工操作鐵水罐車(chē)運行到混鐵爐下的出鐵軌道衡上，同時(shí)出鐵側的除塵閥門(mén)打開(kāi)，混鐵爐操作工通過(guò)出鐵操作臺將混鐵爐傾動(dòng)到出鐵位，把爐內鐵水倒入鐵水罐車(chē)上的轉爐鐵水罐中，同時(shí)軌道衡的大屏幕上顯示鐵水罐車(chē)內的鐵水重量，在達到重量預定值時(shí)，出鐵操作工把混鐵爐搖回”0”位。混鐵爐鐵水罐車(chē)操作工操作轉爐鐵水罐車(chē)運行到吊罐位，由行車(chē)吊將轉爐鐵水罐吊至脫硫站鐵水罐車(chē)上脫硫或直接兌入轉爐吹煉，出鐵側除塵閥門(mén)關(guān)閉。整個(gè)出鐵過(guò)程結束。
(3)除塵風(fēng)機工藝要求：

河北興華鋼鐵煉鋼廠(chǎng)混鐵爐，當混鐵爐既不兌鐵也不出鐵時(shí)不需要風(fēng)量，維持風(fēng)機低轉速；當混鐵爐工作時(shí)，一個(gè)兌鐵口兌鐵需要風(fēng)量43萬(wàn)m³/h；一個(gè)出鐵口出鐵需要風(fēng)量28萬(wàn)m³/h。
兌鐵：由一臺100t天車(chē)完成，每罐兌鐵時(shí)間為4-6min。
出鐵：混鐵爐出鐵30罐/班，每天三班，每班八小時(shí)，單罐出鐵時(shí)間2-3min，傾倒鐵水時(shí)間周期約為12 min。
4 改造項目現場(chǎng)設備參數
4.1現場(chǎng)電機技術(shù)參數

除塵風(fēng)機電機參數如下表1所示。電機安裝現場(chǎng)如圖1所示。

 
圖1 除塵風(fēng)機電機

4.2 JD-BP38-800F 高壓變頻器技術(shù)參數

選用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-800F 高壓變頻器(800kW/10kV）對除塵風(fēng)機進(jìn)行改造，高壓變頻器技術(shù)參數如下表2所示。

5風(fēng)光公司高壓變頻調速系統技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)光牌JD-BP37/38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)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(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)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(diǎn)：
(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(chē)啟動(dòng)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(dòng)。
(3)完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)。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(fā)生故障時(shí)能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應于無(wú)備用裝置或不重要的運行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉換至工頻運行狀態(tài)，還可實(shí)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(gè)轉換過(guò)程不會(huì )對用戶(hù)設備的運行造成任何影響。
(4)旋轉中再啟動(dòng)功能。運行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動(dòng)運行到掉電前的頻率。
(5)線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線(xiàn)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(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)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(xiàn)電壓均衡輸出。
(6)單元直流電壓檢測：實(shí)時(shí)顯示檢測系統的直流電壓，從而實(shí)現輸出電壓的優(yōu)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(shí)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(zhuān)利技術(shù)，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(lián)多重化并聯(lián)結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過(guò)壓范圍(≥1.15Ue)，設備可靠性更高。
(9) 具備突發(fā)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(shí)如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會(huì )導致重大事故。變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)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(fā)生。
(10) 限流功能：當變頻器輸出電流超過(guò)設定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負載突然變化而引起的過(guò)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(guò)電流保護時(shí)，可自動(dòng)復位，繼續運行。
6混鐵爐除塵風(fēng)機變頻控制方案

整個(gè)混鐵爐工作過(guò)程為間斷式工作方式。在兌鐵、出鐵期間，煙塵量大，除塵風(fēng)機需在高速或者中速狀態(tài)運行；其他時(shí)間，煙塵量較小，風(fēng)機抽風(fēng)量相應降低，風(fēng)機降速運行；周而復始。通過(guò)變頻調速器對混鐵爐處于非兌鐵、出鐵期間電機自動(dòng)降速運行，從而達到節能減排的目標。
通過(guò)目前已有的DCS系統調節變頻器頻率來(lái)調節除塵風(fēng)機風(fēng)量。利用DCS對變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停機、調速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監控系統運行。操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS485)的協(xié)調，并且可以根據用戶(hù)的需要擴展控制開(kāi)關(guān)量，增強了系統的靈活性。利用高壓變頻器根據實(shí)際需要對除塵風(fēng)機進(jìn)行變速運行，既保證和改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。

為了保證除塵系統的可靠性，變頻器裝置具有工頻旁路裝置，當變頻器發(fā)生故障停止運行時(shí)，電機切換到工頻下運行，這樣可以保證生產(chǎn)除塵要求，提高了整個(gè)系統的安全穩定性。
7除塵風(fēng)機主回路方案

為了最大限度地提高設備的利用率，使變頻發(fā)生故障時(shí)也能保證風(fēng)機的正常運行，從而保證生產(chǎn)。保留原有工頻液阻啟動(dòng)系統，保留電機綜合保護裝置（工頻時(shí)投入）。采用一拖一手動(dòng)工/變頻切換方案。在變頻器發(fā)生故障時(shí)，能手動(dòng)切換到原來(lái)的工頻液阻啟動(dòng)方式，保證除塵風(fēng)機繼續運行。系統手動(dòng)旁路柜一次回路如圖2所示。

 
圖2  手動(dòng)旁路柜一次回路

旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，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(dòng)機構，實(shí)現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當K1、K3斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，利用液阻柜啟動(dòng)電機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，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(shí)，絕對不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻器輸出隔離開(kāi)關(guān)，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。為了實(shí)現變頻器故障的保護，變頻器對用戶(hù)開(kāi)關(guān)DL進(jìn)行連鎖，一旦變頻器故障，變頻器聯(lián)跳DL。工頻旁路時(shí)，變頻器應允許DL合閘，撤消對DL的跳閘信號，使電機能正常通過(guò)DL合閘工頻啟動(dòng)。
選擇變頻系統時(shí)，不投入液阻柜；只有選擇工頻狀態(tài)時(shí)液阻柜啟動(dòng)才有效。
8混鐵爐除塵風(fēng)機變頻改造效果

高壓變頻器設備于2014年4月初正式投入運行，至今運行良好。變頻器使用方便，可靠穩定，維護量小。除塵風(fēng)機根據生產(chǎn)工藝按需調節風(fēng)量，電機運行電流大大降低，改造達到了預期目的。
8.1節能計算
混鐵爐現場(chǎng)直接根據出鐵口、兌鐵口的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制變頻器的轉速，變頻器預設3個(gè)速度，根據現場(chǎng)所需風(fēng)量不同自動(dòng)調節電機轉速。

 根據變頻器的運行記錄，統計風(fēng)機在一天中各速度段的運行時(shí)間，得到如下運行數據：
各速度段變頻器的輸入功率為：
P1＝1.732×10.15×3.27×0.97=55.76kW
P2＝1.732×10.15×10.13×0.97=172.74kW
P3＝1.732×10.14×29.70×0.97=505.96kW
則使用變頻器后一天風(fēng)機所消耗的電能為：
55.76×8+172.74×5.5+505.96×10.5＝6708.73kW·h
電價(jià)按0.45元計算，整個(gè)系統按照一年運行300天計算，則一年的電費為：
6708.73×0.45×300＝90.5678萬(wàn)元
如果不使用變頻器，電機始終工頻運行，則一年的電費為：
P＝1.732×10.13×49.5×0.8=694.79kW
694.79 kW×24h×300d×0.45=225.112萬(wàn)元
節約電費約為：134.5441萬(wàn)元
8.2變頻改造對設備的好處
（1）在工頻狀態(tài)下，除塵風(fēng)機啟動(dòng)后電動(dòng)機按額定轉速運行，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程風(fēng)機始終處于滿(mǎn)負荷狀態(tài)，造成很大能源的浪費。變頻改造后，在非兌鐵出鐵期時(shí)，電機運行在低速階段。
（2）工頻狀態(tài)下，由于風(fēng)機持續高速下運行，風(fēng)機電動(dòng)機的軸振動(dòng)幅值常常高于正常的震動(dòng)幅值，導致電動(dòng)機的軸瓦使用壽命縮短。不但增加了維修費用，而且還大大增加了設備故障率。使用變頻器后可有效減少設備振動(dòng)，減少磨損，降低了設備維護費用。
（3）在變頻器沒(méi)有安裝以前高壓電機采用直接啟動(dòng)，變頻改造以后，變頻器拖動(dòng)電機從0.5Hz軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流不超過(guò)額定電流，不僅讓風(fēng)機開(kāi)停機極為方便；還減小了啟動(dòng)時(shí)對電機、風(fēng)機及整個(gè)除塵系統的沖擊，提高了系統穩定性。
9結束語(yǔ)

在河北興華鋼鐵煉鋼廠(chǎng)領(lǐng)導的大力支持下，混鐵爐除塵設備改造達到了預期目的。除塵風(fēng)機系統的投入使用不僅有效地改善了混鐵爐作業(yè)時(shí)造成的揚塵污染，給現場(chǎng)操作工創(chuàng )造了良好的工作條件，降低了除塵系統運行的成本，而且響應了國家節能減排及保護環(huán)境的號召。