高压变频调速装置在高炉出铁场除尘系统的应用

蒋森

1.应用高压变频器的必要性

现场中的高炉出铁场除尘风机等高能耗设备，其输出功率不能随生产负荷变化而变化，只有通过改变风门、档板的开度来调整，这导致负载运行效率较低，并且有大量能量浪费在节流损失中。即使高炉出铁场除尘风机使用了液力耦合器调速，但由于液力耦合器其运转效率比较低，维护工作量大，轴封、轴承等部件经常需要更换，致使大量能量以及大量人力、物力的浪费。

为了提高高炉出铁场的生产效率、降低能耗以及系统的综合可靠性，高炉出铁场除尘风机负载的驱动系统拟采用全数字交流高压变频器实施控制。

2.系统方案说明

2.1系统主回路方案

采用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（见左图）。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为现场原有设备。

在检修变频器时，有明显断电点，能够保证人身安全，同时也可手动使负载投入工频电网运行。

改造时，将高压变频器串联进现有高压开关柜与高压电机之间，正常工作时采用变频回路，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，采用原有的工频启动方式。

2.2系统控制方案

采用高压变频调速控制后，采用开闭阀门与除尘风机转速调节相结合的控制方式。由于生产工艺的要求，除尘风机需要在炼铁时停止除尘，在出铁时开始除尘，因此，变频调速装置在炼铁时低速运行，出铁时高速运行。当所有的出铁口烟尘扑集罩阀门全部打开时，风机以最高转速运行，其它情况在保证每一烟罩除尘效果的前提下，根据烟罩阀门的开、关情况自动调节风机转速，尽量降低风机转速，则可达到节约电能的目的。

2.3系统保护

（1）过載保护。电机额定电流的120%，每10分钟允许1分钟，超过则保护。

（2）过流保护。变频器输出电流超过电机额定电流的150%，3S保护；额定电流200%，在10微秒内保护。

（3）过压保护。检测每个功率模块的直流母线电压，如果超过额定电压的115%，则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压正向波动的保护。

（4）欠压保护。检测每个功率模块的直流母线电压，如果低于欠压保护定值，则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压负向波动的保护。

（5） 过热保护。包括两重保护：在变频调速系统柜体内设置温度检测，当环境温度超过预先设置的值时，发报警信号；另外，在主要的发热元件，即整流变压器和电力电子功率器件上放置温度检测，一旦超过极限温度则保护。

（6） 缺相保护。缺相保护设置在每个功率模块上。当变频器输入侧掉相系统发出报警信号，并保护；功率模块的保险熔芯熔断缺相时，系统会发出报警信号。

（7） 光纤故障保护。当控制器与功率模块之间的连接光纤出现故障时，会发出报警信号并保护。

（8）变频装置有隔离变压器温度过热保护。

（9）变频器上口的开关柜必须按照8-10倍额定电流设置速断保护值，确保躲过激磁涌流。

3.方案应用预期效果

3.1 节能分析

3.1.1现场工况及负载技术数据

1）出铁场除尘风机运行参数

3.1.2 工频状态下的耗电量计算

Pd：电动机功率 ；Cd：年耗电量值 ； U：电动机输入电压 ；I：电动机输入电流 ；cosφ：功率因子； T：年运行时间；δ：单负荷运行时间百分比

电机耗电功率计算公式：Pd =×U×I×cosφ …①

累计年耗电量公式：Cd= T×∑（Pd×δ） …②

根据计算公式①②，通过计算可得出工频情况下各负载的耗电量如下：

综合高速、低速运行的时间，计算出平均工频运行功率如下：

3.1.3 变频状态下的年耗电量计算

1） 对于风机负载（系统变频改造前有液耦调速设备），计算如下：

因为不管是用液耦调速还是变频调速，所需要的风机轴功率是相同的，得出公式

③

其中：Pd为液耦时工频功耗；Pb为变频时功耗；为风机轴功率；为电机效率；

为液耦效率；为变频器效率。

由液力耦合器的运行特性可知，④

其中：为风机实际转速，为电机额定转速。

累计年耗电量公式：Cb= T×∑（Pb×δ） …⑤

其中：Cb：年耗电量值；为变频时功耗；T：年运行时间；δ：单负荷运行时间百分比。

根据计算公式③④⑤，通过计算可得出变频情况下各负载的耗电量如下：

3.1.4 节能计算

年节电量：ΔC= Cd-Cb …⑥

节电率=（ΔC/Cd）×100% …⑦

变频改造后，根据公式⑥⑦，可计算出各负载上变频后与工频相比每年的节电情况如下：

4. 应用高压变频调速系统产生的其他效果

4.1 维护量减少；

采用变频调速后，随时可以通过调整转速使系统在接近额定状态下工作，由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件的寿命；同时极大的减轻了对管道的冲击，有效延长了管道的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。

4.2 工作强度降低；

由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

4.3 减少了对电网的冲击；

采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击。

5.结论

利用高压变频调速技术可以改变设备的运行速度，以实现调节现场工况所需风压、风量的大小，大大提高了系统的自动化程度，既满足了生产要求，又达到了节约电能，并且减少了因调节挡板而造成挡板和管道的磨损以及因经常停机检修所造成的经济损失，同时使维护量大大降低，为冶金企业可带来了可观的效益，切实响应了国家节能降耗的号召。