Electrical Engineering and Automation June 2014, Volume 3, Issue 2, PP.16-20
Application of High Voltage Inverter in the 1880m3 Blast Furnace Casthouse Dedusting System Guangxue Yu Shandong Iron and Steel Group Laiwu Branch Company Equipment Maintenance Center #Email: yuguangxue23@163.com
Abstract The employment of technically innovated high-voltage inverter in dedusting system outcome high leveled electric automatic control and achieved the goal of saving energy and reducing cost. Keywords: Dusting System; High-Volatge Converter; Energy Saving
高压变频器在 1880 高炉出铁场除尘系统中的应用 于光学 山东钢铁集团莱芜分公司设备维修中心 山东省莱芜市 271104 摘 要：通过采用高压变频器在除尘系统的技术改造，提高了电气自动控制水平，达到节能降耗的目标。 关键词：除尘系统；高压变频；节能
引言 引言：环保、节能、高效一直以来是莱钢炼铁高炉出铁场除尘系统的不懈追求。在对除尘器、管道系统、 输灰系统等设施进行改造的同时，我们非常注重电气及控制系统的优化升级。曾尝试将高压液变电阻式软启 动器改造为性能较为可靠的 HRVS-DN 型电子式高压软启动器。然而这仅解决了电机启动时对电网的冲击和 启动后旁路接触器工作的问题，虽对电机有较好的保护作用，却无明显的节能效果。根据发改委出台的“十 大重点节能工程”规划，电机用电能耗在工业用电中占据主要地位。全国发电总量的 66%消耗在电动机上， 高压电动机约占一半，其中近 70%拖动的负载是风机、泵类、压缩机。其中一半，即约有 10150 万 KW 的高 压电动机适合高压变频控制。按全国电动机总装机容量 6.22 亿千瓦（2007 年）计算，运行效率低下相当于 每年浪费电能约 2200 亿千瓦时以上，大概为 3 个三峡电站的年发电量，因此电机运行效率 6-7 个百分点，年 节约电量即相当于三峡电站的年发电量。[1] 近几年高压变频及技术日趋成熟，《2009 年中国高压变频器市场研究报告》，指出 2009 年至 2012 年我 国高压变频器市场将保持 40% 以上的增长率且应用变频器调速进行改造的系统绝大部分取得了 30%以上的 节能效果。在此情况下我们对 1880m3 高炉铁场除尘系统进行了高压变频改造。
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高压节能设备的选型及其优点 莱钢 1880 高炉出铁场除尘风机型号为的 YKK710-6 型电机。其参数为：1800KW，10KV，991r/min。通
过不断分析比较，Honeywell 公司的 SolidDrive10/10-1800 系列高压变频调速装置具备更高的性价比，更符合 本次节能项目改造。优点体现在： (1) 纯净的功率输入，对电网无污染。输入端采用移相变压器多重化技术，输入电流谐波小，输出端采 - 16 www.ivypub.org/eea
用功率单元串联叠波技术，输出电压波形接近正弦； (2) 对于网侧而言，系统 48 脉波，不控整流输入，对负载侧位 17 电平相电压输出； (3) 高功率因数，即使不使用外部功率补偿电容，在正常使用的电机转速范围内（20%~100%），功率因 数可达 0.96 以上； (4) 高进高出供电方案，无需输出变压器，更无需昂贵的专用变频电机； (5) 高可靠性、维修快速。采用高压场控大功率的 IGBT 功率模块，具有非常大的电压裕度，IGBT 模块 的触发采用自行研制的专用驱动模块电路，具有高可靠性； (6) 空气冷却，采用强制风冷，简便有效、投资少，维护方便； (7) 单元旁路功能，能快速切除故障单元，自动对输出功率进行调整，保证系统正常运行； (8) 瞬时停电再启动功能，可以根据电源恢复时电动机自由旋转的实际速度计算出对应的输出功率，以 此频率为起始频率使电动机重新启动并加速到停电前的运行状态； (9) 工频/变频自动互切功能，变频出现故障或需要维护时，自动切换到工频运行状态。
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工作原理
图 1 变频器主电路及通信线路结构图
图 2 功率单元结构图 - 17 www.ivypub.org/eea
单元串联多电平 PWM 电压源型变频器，采用若干个独立的低压功率单元串联的方式来实现高压输出。 电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电。功率单元为三相输入、单相输出的交-直交 PWM 电压源型逆变器结构，将相邻功率单元的输出端串接起来，形成 Y 联接结构，实现变压变频的高压 输出。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。 在变压器的二次绕组分配时，组成同一相位组的每三个二次绕组，分别给分属于电动机三相的功率单元供电， 这样即使电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果[2]。
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系统改造方案
3.1 无扰动旁路技术 为了实现变频，工频自动切换。当变频器万一发生严重故障时，可自动将电机切换至工频电网，以保证 系统故障时正常运行。方案采取了无扰动旁路技术。见图 3：
图 3 系统一次回路结构原理图
3.2 通讯技术
图 4 铁场除尘系统人机界面
在变频器的基础上，依据计算机模拟控制理论，开发出具有独立专利技术的优化控制软件，采用先进的 高压正弦波跟踪技术（SWT 仿真技术）根据系统的实际运行状况和系统设定情况，自动检测变频器、电机、 - 18 www.ivypub.org/eea
负载的运行曲线和各种复合信号及时分析运算，使三者在最佳状态下运行。控制系统由控制器（采用 32 位 高速数字信号处理器(DSP)），I/O 板和人机界面组成。控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一 块电源板组成。各部分之间的联系如图 1 所示。人机界面为用户提供友好的全中文操作界面，负责信息处理 和与外部的通讯联系，可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过主控板和 I/O 接口板通讯来的数据， 计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数，提供表计功能，并实现对电机的过载、过流告警和保护。 通过 RS232 通讯口与主控板连接，通过 RS485 通讯口与 IO 接口板连接，实时监控变频器系统的状态。人机 界面如图 4：
3.3 对除尘工艺的优化 (1)出铁口捕集罩由固定式加单侧吸改造为大覆盖面、移动式双上侧吸的顶吸罩。这样可减少横向风的干 扰，减少开堵铁口时烟尘外溢。同时将吸口设计为紧贴风口平台下沿，增强了吸附效果。 (2)原除尘器风道多采用 90 度弯头，尤其是由除尘器至出风管处近 13m 的距离内原系统设计了一个两个 90 度弯头和一个 120 度弯头。由于 90 度弯头摩阻系数最大，我们将系统所有 90 度弯头改造为较为平缓的 45 度弯头，经过周密设计我们在除尘器与出风管之间用一个 135 度的弯头替代原来的三个弯头。通过改造， 系统阻力减少了 700-900Pa，整个系统风量大大增加且气流变得平稳，从而风机轴向震动大幅下降。 (3)对仪表和电气系统进行改造。在高炉铁场除尘系统利用上位机操作系统和监控软件对除尘器进出口压 差、入口流量和温度、电机运行状态进行检测。高炉铁场监控系统如图 5
图 5 铁场除尘监控系统
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节能原理及其效益分析
4.1 节能原理 采用调速法节能的原理是基于风量、压力、转速之间的关系：Q∝n；
p∝T∝n ； P∝Tn∝n3
[3]
。该
类负载的风量—压力特性曲线如图 6 所示： 在该图中，曲线（1）为风机在额定转速 n1 下的风压风量（P-Q）特性曲线，曲线（2）为风门全开时的 管网特性曲线，它们的交点 A 为风机的设计高效工作点，风机在 A 点工作其效率最高。此时的风压为 P2， 风量为 Q1，轴功率为 N1＝K·Q1·P2，在图中可用面积 AP2OQ1 来表示。根据生产工艺要求，需要将风量 从 Q1 减小至 Q2，这里若用关小风门的方法，相当于增加了管网的阻力，使管网阻力特性变到曲线（3）， 系统由原来工作点 A 变到新的工作点 B 运行，此时的风压为 P1，风量为 Q2，轴功率为 N2＝K·Q2·P1， 在图中可用面积 BP1OQ2 来表示，显然轴功率下降不大。如果采用变频调速方式风机转速由 n1 降为 n2，由 于风机的静压 Pst＝0 符合相似定律，可直接画出在转速 n2 下的风压风量 (p-Q) 特性曲线（4）与管网特性曲 - 19 www.ivypub.org/eea
线（2）相交于 C 点运行，此时的风压为 P3，风量为 Q2 轴功率 N3＝K·Q2·P3，在图 1 中可用面积 CP3OQ2 表示，可见随着风压的大幅度下降，轴功率 N3 明显减少。相对于风门截流法调节，节省的轴功率 AN＝ K·(P1-P3)·Q2，相当于图中阴影部分的面积，节能效果十分明显[4]。 （3）
P P1
B
（2）
n1 11 P2
A C
P3
（4） n2
（1） Q
O Q2
Q1
Q1 图 6 风机类负载风量—压力特性曲线图
4.2 效益分析 如图 4 中，系统在出铁时，正常运行时电机转速为 670r/min，由于风机、泵类负载轴功率与转速的三次 方成正比，系统理论上节能效率为 69%。实际运行中，由于系统自身各种损耗，以及高炉在出铁间隔期间需 降低功率低速旋转。因此实际运行中不能达到这一理想状态。经过长期统计，改造前每月耗能 85 万度，改 造后每月耗能为 55 万度，节能为 30 万度，节电率达到 35.3%。电能按 0.65 元/度计算每年减少电费 234 万元。 改造后日卸灰量增加 25t，按每吨 650 元计算，仅此每年可省费用 585 万元。即造后每年节省费用近千万元。
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结束语 此次改造，使矿槽粉尘浓度下降到 9.1mg/m3，风机噪音在 85db 以下，节能效果在 40%左右。取得良好
的环保、节能效果，得到环保部门和生产单位的一直认可。
REFERENCES [1] "Ways and Countermeasures of motor speed regulation technology industrialization" (J) [2] Han Anrong general frequency converter and its application [M]. Mechanical industry press. 2006 [3] Wu Zhongzhi (M) inverter application manual mechanical industry press, 2004 [4] Yang Shicheng, Wang Xikui pump and fan (M) China Electric Power Press, 2007
【作者简介】 于光学，(1983- )，男，汉族，大 学本科学历，工程师，EAP 高级企业执行师，主要从事轧线电气设备的调试与维护以及高炉 电气系统的维护，多次参加 ABB 公司培训。2007 至 2012 年主要从事轧钢传动系统的维护。2012 年至今先后在莱钢 1880m3 和 3200m3 学习高炉电气维护技术。Email: yuguangxue23@163.com - 20 www.ivypub.org/eea