中压变频器在钢铁厂中的节能应用探索

王兴海

摘 要：为推动钢铁行业的可持续发展，还要加强钢铁厂各个生产环节的节能改造。而采用中压变频器，可以满足钢铁厂水泵、风机等设备的变频调速节能改造需求，所以文章对中压变频器在钢铁厂中的节能应用问题展开了分析。从分析结果来看，通过使用中压变频改造钢铁厂每年可以节约大额电能，可以为钢铁厂带来较高的经济效益和社会效益。

关键词：中压变频器；钢铁厂；节能改造

中图分类号：TN773 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）21-0161-02

Abstract： In order to promote the sustainable development of the iron and steel industry， it is necessary to strengthen the energy-saving transformation of each production link in the iron and steel plant. The adoption of medium-voltage converter can meet the needs of energy-saving transformation of water pump， fan and other equipment in iron and steel plant， so this paper analyzes the application of medium-voltage frequency converter in iron and steel plant. From the analysis results， it can save a large amount of electric energy every year by using medium voltage frequency conversion transformation of steel plant， and can bring higher economic and social benefits to the iron and steel plant.

Keywords： medium voltage converter； iron and steel plant； energy-saving transformation

引言

伴隨着能源的日渐紧缺，人们对节能问题也给予了更多重视。而在钢铁厂日常运营中，需要大量的风机、水泵类用电设备采用工频运行，将产生大量的资源和电能损耗。因此，还应加强对中压变频器在钢铁厂中的节能应用分析，以便更好的解决钢铁厂的电能不必要损耗问题。

1 变频调速节能技术概述

所谓的变频调速技术，就是通过改变交流电源频率进行电机无极调速控制的技术。结合电机驱动设备工作原理可知，无论是风机还是水泵，都需要将电机轴功率转化为流体动能，达到驱动设备运转的目的。针对这类设备，直接采用工频电压进行供电，设备将以额定转速运转，需要结合工作最大需求量完成电机设计，所以电机工作富余量较大。但在设备实际运行的过程中，通常不需要以额定转速运转。针对这一情况，还要采用液力耦合器、阀门等装置进行压力流量调节，此过程则将产生较大的能量损失。采用变频调速技术，可以使阀门处在全开状态，通过直接调整电机转速进行介质输送压力和流量的调整，所以能够从设备用电源头上进行能量节约[1]。从变频调速节能系统构成上来看，包含变频器、整流变压器、逻辑控制器等设备。其中，整流变压器与需要变频柜配套，用于为变频装置提供电源。而逻辑控制器负责进行数据采集和现场设备运行监控，能够实现参数连锁和逻辑控制，实现报警、通讯等功能。变频器作为系统核心组成部分，可以在电机调速控制和保护上得到应用，确保电机平滑、可靠起动，避免电机、电网等受到冲击。因此在应用变频调速节能技术时，还要加强变频器的选用。

2 中压变频器在钢铁厂中的节能应用

2.1 钢铁厂变频节能需求

在钢铁厂中，对风机、水泵等设备进行了大量使用。比如在炼铁工序中，包含助燃风机、除尘风机、冷却循环给水泵等设备。在轧钢作业中，包含冷却风机、除尘风机等设备。这些设备作为钢铁厂的通用机械，将产生大量电能损耗。就目前来看，设备采用的电机多为交流驱动电机，可以通过调节电机转速实现风量、水流调节。但是，钢铁厂的工艺设备相对复杂，设备间存在较大的运行工况差异，在对设备进行变频调速时，需要结合驱动电机负荷率确定节电效果。在电机运行工况与设计工况差距较大的情况下，节电效果往往更好。就目前来看，钢铁厂大多数用电设备并未采用变频技术。而可以使用变频技术的设备大多为公辅设施，改造后对生产线的影响不大，不会受到工艺、产品产量等方面的限制，所以技术应用的独立性较强。所以在实际改造过程中，还要重点从环保、经济效益等方面确定技术应用的有效性。值得注意的是，在节能改造过程中，必须要对改造取得的效益展开分析。因为钢铁厂通常拥有较大的建设投资规模，通常在几十亿之上，每日的生产运营费用都较高。如果采用的节能改造技术仅能在小范围适用，将很难获得规模效益。因此在对钢铁厂进行变频改造过程中，需要加强经济效益的分析。

2.2 节能采用的中压变频器

2.2.1 中压变频器。中压变频器的种类有较多中，按照中间环节是否存在直流可以划分为交交变频器和交直交变频器，结合直流性质可以划分为电流型变频器和电压型变频器等等。而按照电压等级，可以划分为中压变频器和通用变频器。从原理上来看，大多就是利用面积等效原理。针对面积相等，但形状不同的窄脉冲，在惯性条件下，将产生基本相同的输出响应波形效果[2]。因此采用中压变频器，可以通过在电机绕组端施加窄脉冲，从而按正弦规律进行系列电压脉冲的调制，促使回路中电流波形为正弦波。对于变频器来讲，中间环节直流将对输入功率产生影响。因为电压型的变频器中间直流环节拥有大电流，电机无功电流由电容提供，电网间没有无功交换，所以能够使高功率因素得到保证。如果采用电流型，直流环节为大电感，电网与电机间将产生无功功率交换，无法保证高功率。一旦电机负荷减小，功率将随之降低。因此在采用中压变频器时，需要采用电压源型电容，获得较高的输入功率因数。

2.2.2 变频器的选用。霍尼韦尔（Honeywell）变频器在自动调频领域始终占据领先地位，在自动化控制上采用了独特的闭环控制思想，能够大幅度降低能耗，并使工艺控制水平得到改善，同时达到减少电网冲击、延长设备使用寿命和提高生产效率等作用，可用于进行风机、循环水泵、压缩机等多种设备的变频控制。霍尼韦尔的SolidDrive系列变频调速装置调速范围为100：1，变换矢量控制的静态转速精度能够达到0.1%，起动转矩为150%，整机效率超出了97%，逆变效率超出了98.5%，平均无故障工作时间超出100000小时，故障修复时间平均不超出10min。采用霍尼韦尔变频器，可以完成对电压、电流、功率因素、效率、频率等多种状态变量的监控，实现DSP全数字控制，同时为CDMA等远程监控功能提供支持。此外，该种变频器拥有完善保护功能，如电机过压保护、输入过压保护、变压器过热保护等。因此在钢铁厂节能保护方面，可以选用霍尼韦尔SolidDrive系列变频器。宝钢股份梅钢公司炼铁厂4#高炉热风炉助燃风机就是采用霍尼韦尔SolidDrive系列10kV变频器驱动1400kW助燃风机电机。

2.3 中压变频器的节能应用

2.3.1 在风机电机控制中的应用。在钢铁厂的节能改造工作中应用中压变频器，可以实现高炉热风炉系统助燃风机的节能改造。在炼铁工艺生产过程中，采用铁矿石和焦炭等进行铁水的冶炼，高炉需要大量高温气流，需要由空气经热风炉加热产生。助燃风机是热风炉工作的重要设备。为实现节能生产，炼铁厂铁厂采用电炉钢铁系统进行炼钢操作，利用系统配备的除尘风机进行烟气中污染物去除。但是在实际的生产中，助燃风机采用不同的的风量供给热风炉，因此钢铁厂采用了风机出口电动风门和液力耦合器进行除尘风机调速调风。但是采用该种装置，在风机转速由低向高转变过程中，存在明显延迟，导致电机无法快速响应。此时，装置中电流较大，容易引起系统跳闸，导致系统稳定性受到影响。而电动风门的控制精度较差，只能在40%-90%范围内调速。在電机起动时，将产生很大的启动电流。在电机高速运行时，甚至会出现丢转问题。此外，在调速过程中，需要利用导管对工作腔液量进行调整，通过改变扭矩和输出转速满足不同工况要求，因此需要经常进行供油系统维修养护。一旦耦合器发生故障，风机将无法继续运行[3]。而长时间运行，将导致偶合器严重漏油，给环境带来较大污染。生产中，也容易产生环保问题，所以无法满足系统生产需要。在节能改造的过程中，针对炼铁厂采用的YKK630-4 1400kW助燃风机电机，采用SolidDrive系列变频器可以完成软启动和无级调速，从而实现电机的高效变频。在炼铁厂生产的过程中，在进行高炉炼铁的过程中，可以结合铁水炼制时热风炉助燃风量需求完成频率适当选择，从而根据产生烟气量和温度进行风机电机转速调节，达到更好的助燃效果。采用该方法进行风机电机控制，可以使热风炉助燃系统电能消耗量得到显著减少，同时使系统工作效率得到提高。通过改造可以使热风炉助燃系统风量调节实现无级调速并消除电机启动电流冲击对电网的影响，所以能够降低系统功耗，获得理想的节能效果。

2.3.2 在水泵电机控制中的应用。钢铁厂在炼铁、炼钢过程中，需要利用使泵供应大量的水。但是在不同工艺中，用水量存在一定的差别。炼铁厂采用固定转速电机进行水泵驱动，并采用控制阀对管道流量变化进行控制，将导致用水量大的情况下，水泵以额定条件运行，运行效率较高。但是在用水量少的情况下，利用调节阀减小出水量，将导致水泵运行与水量间出现的压差较大[4]。此时，水泵依然以额定功率运行，将导致大量能量损失。针对炼铁厂水泵运行问题，还要采用中压变频器进行水泵电机控制。采用该种方法，能够使水泵电机处在可变速条件下，确保水泵运行特性曲线与系统流量变化相匹配。利用压力传感器，可以将压力信号转换为电信号。而借助变频器进行压力值的比较和计算，并将运算结果转换为调频信号，则能完成水泵电机电源频率的适时调整，有效避免水泵能量损失，达到节能控制的目标。

从节能改造效果来看，改造前热风炉助燃风机在热风炉正常烧炉及换炉时都是全速全功率运转，转速为1440转/分，功率为1400kW，耗费电能1400kWH，在使用变频改造后正常烧炉转速是全速全功率运转，换炉时转速仅为平时的三分之一即500转/分左右，根据风机功率前后比与转速前后比成三次方关系，故助燃风机电机功率的二十七分之一，相应节约巨大的电能，产生了非常可观的经济效益。

3 结束语

通过研究可以发现，在钢铁厂节能改造方面，可以采用中压变频器实现风机、水泵等设备的变频调速控制，达到改善设备运行工况的目的。采用该种变频调速节能技术，可以通过调整电机电源频率从供电方面实现电能节省，每年约能节省大量的电能费用，所以能够为钢铁厂带来可观的经济效益和社会效益。因此相信在钢铁厂推行清洁生产理念创建城市钢铁厂的过程中，该种技术能够得到较好的应用。

参考文献：

[1]赵旭.某钢铁厂富余煤气发电技术节能效益分析[J].应用能源技术，2017（10）：22-24.

[2]曹治洲.钢铁厂烧结工艺的节能降耗设计探讨[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2017（04）：51-52.

[3]李龙.钢铁厂自动化技术与节能的研究[J].科技与企业，2014（13）：140.

[4]李辉，欧阳前武.钢铁厂压缩空气系统节能潜力案例分析[J].能源与节能，2014（02）：81-83.