鋼廠的冶煉過程耗電較大，耗電在煉鋼成本中是不可忽視的一部分，河北某鋼鐵有限公司係中外合資企業，於1993年成立，1994年10月正式投產，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。 公司堅持面向未來，以可持續發展為主題，以實施產業結構調整，構築新的競爭優勢為目標，實現工藝升級、產品更新，全面提高公司的運營水平與核心競爭力，走新型工業化道路，打造行業和產品優勢，加快用高新技術改造鋼鐵業的步伐，建設高科技的鋼鐵企業。 公司響應國家的節能減排的政策方針，配置有三套除塵系統。 根據生產工藝的要求，邀請我公司（深圳市英威騰電氣股份有限公司）技術人員到廠內的對#3除塵系統的除塵風機進行分析，對節能方面做評估。 根據現場的運行數據及實際工藝的要求，我公司技術人員對其進行全面分析，有較大的節能空間。
2、設備參數及工藝要求
鋼廠整個系統共有3套除塵系統，#3除塵系統容量比較大，在生產過程中是主要的除塵設備，其電機及風機的參數如下表所示：
異步電機 | 除塵風機 | ||
型號 | YTP710-6 | 型號 | Y4-2×73 No. |
額定功率 | 2240 kW | 額定壓力 | 570 - 375 mmH2O |
額定電壓 | 10 kV | 額定流量 | 960000 - |
額定電流 | 軸 功 率 | 1800 -2240 kW | |
額定轉速 | 985 rpm | 額定轉速 | 985 rpm |
正常情況下，該鍋爐每55分鐘為一個生產週期，生產過程的不同階段，電爐產生的煙氣量不同，因此需要調節除塵風機的風量。 按照正常的生產過程，為滿足生產工藝的要求，除塵系統的除塵量可以按如圖一所示調節。一個週期可分為4個階段：1、加料A～B，9分鐘；2、供電供氧高速C～D，15分鐘， 3、供電供氧中速E～F，25分鐘；4、出爐低速G～H，6分鐘。
除塵系統的監控採用工控機控制，工控機與變頻器通過硬接線的方式連接。 操作室內的工控機可以實現對變頻器的啟動、停機、復位和高壓分斷等控制，調節變頻器給定頻率，並實時監視變頻器的運行工況。 變頻器輸出頻率和輸出電流，以4-20mA方式反饋到DCS系統。
3、設備選型及系統方案
我公司技術人員根據現場設備的參數及工藝要求，結合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程地應用情況，我公司為其配置了一台10KV/2500KW的CHH100系列的高壓變頻器，變頻器主要技術參數如下表：
序號 | 項目 | 參數 |
1 | 變頻器型號 | CHH100-2500-10 |
2 | 額定容量 | 3150kVA |
3 | 額定電壓 | 10kV |
5 | 額定電流 | |
7 | 可配電機 | 2500kW |
8 | 旁路方式 | 一拖一手動旁路 |
根據現場的運行工藝要求，考慮到變頻器退出運行後，為了不影響生產，確保除塵系統正常工作，我公司為系統配置工頻旁路，保留了以前的工頻啟動的軟啟動裝置，同時按照以往的保護定值進行整定，當變頻器出現異常時，將電機投切到工頻下運行。整個調速系統的一次迴路圖如下所示：
變頻調速系統由用戶開關、軟啟動器、手動旁路櫃、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。 手動旁路櫃是由三個高壓隔離開關QS1、QS2、QS3組成。 電機以變頻方式運行時， QS2、QS3閉合，QS1斷開；電機以工頻方式運行時，QS1閉合， QS2、QS3斷開。 手動旁路櫃嚴格按照“五防”聯鎖要求設計，變頻輸出開關QS3和工頻開關QS1互鎖，完全能夠保證變頻調速系統安全運行。
旁路櫃與上級高壓開關QF連鎖，旁路櫃隔離開關未合到位時，不允許高壓開關合閘，QF合閘時，絕對不允許操作高壓隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
CHH100系列高壓變頻器的接口比較靈活，有多種控制方式，有modbus通訊接口方式,也有硬接線控制方式，根據該工程的系統控制接口形式，選擇了硬接線的方式進行遠程控制。 變頻器及現場的除塵風機如下圖所示。
CHH100系列高壓變頻器一體化設計，系統屬於高—高結構方式，變頻裝置逆變主電路拓撲採用單元串聯多電平電壓源型變頻器，由變壓器櫃、功率櫃、控制櫃、自動旁路櫃四個部分組成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出，可以直接配套異步鼠籠電機。 CHH100系列高壓大功率變頻器的原理結構如圖三所示。 電網送來的三相10KV交流電，經移相變壓器，由其副邊每相的9個二次線圈電壓逐個移相6.5°，供電給9個功率單元，三相共27個功率單元，形成Y聯結結構。 變頻器控制部分採用DSP處理器對調製波形進行空間向量的優化處理，控制IGBT的通斷，即可在單元輸出兩點之間得到PWM波形，9個功率單元相疊加進行波形合成，可輸出高壓正弦波給感應電動機，因而形成近似正弦波大大降低了輸出諧波含量，不需輸出升壓變壓器和濾波裝置，可直接驅動普通高壓電機，而不會增加電機升溫而降低電機容量。 因此，無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對電機沒有特殊要求，可以使用普通異步電機，電機不必降額使用；具有軟啟動功能，沒有電機啟動衝擊引起的電網電壓下跌，可確保電機安全、長期運行在20-100%的帶載調速範圍內，變頻系統的不加任何功率因數補償的情況下輸入端功率因數能達到0.95以上。 輸入電流諧波畸變<4%,輸出電流諧波畸變<2%
5、變頻器功能特點
1） 變頻調速系統的啟停方式
啟動方式：
（1) 直接啟動；
（2) 先直流制動再啟動(對於風機類可能由負載帶動反轉場合，可以先通過直流制動把電機剎住車再啟動，從而避免啟動時產生巨大的衝擊電流)；
（3) 轉速追踪啟動。 變頻調速系統首先追踪電機的當前轉速，然後在當前電機的轉速的基礎上直接啟動。
停車方式：
（1) 減速停車(控制電機速度按照減速曲線減小，到零頻後停車)
（2) 自由停車(直接封脈衝，電機按照自己的慣性停車)
2） 頻率設定方式
（1) LED 鍵盤給定
（2) 通訊給定(觸摸屏採用這種方案)
（3) 模擬信號輸入給定
（4) 高速脈衝給定
（5) PID控制調節給定：通過PID給定與反饋的比較，自動調節頻率，在恆壓供水系統上應用尤其方便。
（6) 多段速給定：變頻調速系統可以設置多個頻率段，以及加減速時間，由端子靈活的選擇在這些頻率段時間切換。
（7) 同時為了運行頻率控制更加靈活，CHH系列變頻器支持兩個頻率源，實際運行頻率可以取這兩個頻率源的任意一個，或者對兩個頻率源進行和、差，以及最大值的組合。
（8) 用戶除了使用頻率源控制頻率以外，還可以通過up/down按鍵或者數字量端子靈活的對運行頻率進行增加、減小的微調。
3） 電壓自動調解功能。
由於我方提供的高壓變頻器有一級功率模塊的富裕量，高壓變頻調速系統可以根據母線電壓的波動自動調節輸出PWM信號的佔空比，從而減輕電網電壓波動對於輸出電壓波動的影響。 在母線電壓波動情況和功率模塊旁路的情況可以自動調解輸出電壓，保證輸出電壓的穩定。
4） V/F曲線選擇方式
有些負載(比如風機、水泵)都不是恆轉矩負載(風機水泵的轉矩與速度的二次方成正比)。 為了適應這種變轉矩的負載特性，CHH系列高壓調速系統提供了多點V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線可供選擇。 並且在可以在V/F的啟動低頻段進行電壓提升，滿足現場實際的調速需求。
5） 可編程用戶端子
高壓變頻調速系統提供豐富的端子功能給用戶，這些端子都是可通過功能碼進行設定，不需要更改系統的程序，便於現場調試,從而保證系統有靈活的可擴展性,完全能夠滿足DCS控制的要求。
6） 豐富的實時監控功能
系統參數：運行頻率、給定頻率、母線電壓、輸出電壓、輸出電流、運行速度、輸出轉矩、PID給定、PID反饋、端子狀態、摸擬量的值以及時間。
模塊參數：模塊電壓、模塊的溫度。
用戶可以通過功能碼選擇所需要顯示的監控對象。 也可以通過觸摸屏查看相關的參數，變頻器有異常時，不但可以查看故障類型及處理方式，還可以查看故障時的變頻器運行狀態，便於快速排除故障。
7） 多段速控制功能
針對有頻繁變速要求系統，高壓調速系統可以提供多段速度調製模式。 用戶可以通過端子靈活的選擇當前的運行速度段。
8） Modbus通訊功能
高壓變頻調速系統提供對外的modbus通訊接口。 用戶可以使用自己的系統通過modbus協議對變頻器進行控制，設置。
6、節能效果
變頻器3月2日安裝完畢。根據現場的生產要求，變頻器於4月14日調試完畢，於4月15日對除塵風機變頻運行方式和工頻方式進行測試，4月15日除塵風機以變頻方式投入運行。在調試和試運行期間，測試的幾個關鍵的運行數據如下：
序號 | 工頻運行 | 變頻運行 | ||||
擋板開度 | 輸入電壓 | 輸入電流 | 輸入電壓 | 運行頻率 | 輸入電流 | |
1 | 30% | 10.04kV | 10.04kV | 20Hz | ||
2 | 60% | 10.04kV | 10.04kV | 35Hz | ||
3 | 90% | 10.04kV | 10.04kV | 45Hz | ||
按照以上的測試數據，對除塵風機工頻運行和變頻運行消耗的電能計算如下：
序號 | 需要風量 （%） | 工頻耗電 （KW） | 變頻耗電 （KW） | 節電功率 （KW） | 節電率 （%） |
| <><><> | |||||
2 | 60 | 1522.05 | 936.15 | 585.90 | 38.49 |
3 | 90 | 1980.63 | 1720.56 | 260.07 | 13.13 |
根據實際運行的時間，高速運行15分鐘左右，中速運行有25分鐘左右，低速運行有15分鐘左右，所以綜合節電率為：
370.71×15+585.90×25+260.07×15
765.41×15+1522.05×25+1980.63×15
=30.42%
系統節電功率為:438.35KW
一天節電量：438.35×24 = 10520.57 度/天按電價0.35元/度計算，一天節約電費：10520.57 × 0.35 = 3682.19元/天
7、 變頻調速優點
變頻器改造後，對整個控制工藝有較大改善，對生產成本也有一定的降低，綜合考慮，變頻改造具有以下幾方面的優點：
1) 網側功率因數提高：原電機直接由工頻驅動時，滿載時功率因數為0.84左右。 採用變頻調速系統後，電源側的功率因數可提高到0.95以上，無需無功補償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網要求，可進一步節約上游設備運行費用。
2) 設 備運行與維護費用下降：採用變頻調節後，可以根據現場的實際除塵風量進行調節風機轉速，由於通過調節電機轉速實現節能，在負荷率較低時，電機、風機轉速也 降低，主設備及相應輔助設備磨損較前減輕，維護週期可加長，設備運行壽命延長；並且變頻改造後擋板開度可達100％，運行中不承受壓力，可顯著減少擋板的 維護量。 變頻器運行中，只需定期對變頻器除塵，不用停機，保證了生產的連續性。
3) 用變頻調速裝置後，可對電機實現軟啟動，啟動時電流不超過電機額定電流的1.2倍，對電網無任何衝擊，電機使用壽命延長。 在整個運行範圍內，電機可保證運行平穩，損耗減小。 風機啟動時的噪音和啟動電流非常小，無任何異常振動和噪音。
4) 與原來舊系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項保護功能，更完善地保護了電網和電機。
5) 操作簡單、靈活，運行方便，可通過計算機遠程給定等參數，變頻調速系統將會始終保持在0.01～0.1HZ頻率調整精度範圍內工作，為實現除塵系統的自動化創造優越條實現智能調節。
6) 適應電網電壓波動能力強，電壓工作範圍寬，電網電壓在-10%～+10%之間波動時，系統均可正常運行。
7) 變頻改造後，系統節能效果比較顯著，可提高系統運行效率，降低了公司的生產成本，提高了公司在市場上的競爭力。
參考文獻：
【2】CHH100系列高壓變頻器說明書，深圳市英威騰，2007；
【1】胡先 主編 高爐爐前操作技術 冶金工業出版社，2006；
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