中壓變頻器在鋼鐵廠中的節(jié)能應用探索

王興海

摘 要：為推動鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還要加強鋼鐵廠各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)能改造。而采用中壓變頻器，可以滿足鋼鐵廠水泵、風機等設備的變頻調(diào)速節(jié)能改造需求，所以文章對中壓變頻器在鋼鐵廠中的節(jié)能應用問題展開了分析。從分析結果來看，通過使用中壓變頻改造鋼鐵廠每年可以節(jié)約大額電能，可以為鋼鐵廠帶來較高的經(jīng)濟效益和社會效益。

關鍵詞：中壓變頻器；鋼鐵廠；節(jié)能改造

中圖分類號：TN773 文獻標志碼：A 文章編號：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

伴隨著能源的日漸緊缺，人們對節(jié)能問題也給予了更多重視。而在鋼鐵廠日常運營中，需要大量的風機、水泵類用電設備采用工頻運行，將產(chǎn)生大量的資源和電能損耗。因此，還應加強對中壓變頻器在鋼鐵廠中的節(jié)能應用分析，以便更好的解決鋼鐵廠的電能不必要損耗問題。

1 變頻調(diào)速節(jié)能技術概述

所謂的變頻調(diào)速技術，就是通過改變交流電源頻率進行電機無極調(diào)速控制的技術。結合電機驅(qū)動設備工作原理可知，無論是風機還是水泵，都需要將電機軸功率轉(zhuǎn)化為流體動能，達到驅(qū)動設備運轉(zhuǎn)的目的。針對這類設備，直接采用工頻電壓進行供電，設備將以額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，需要結合工作最大需求量完成電機設計，所以電機工作富余量較大。但在設備實際運行的過程中，通常不需要以額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。針對這一情況，還要采用液力耦合器、閥門等裝置進行壓力流量調(diào)節(jié)，此過程則將產(chǎn)生較大的能量損失。采用變頻調(diào)速技術，可以使閥門處在全開狀態(tài)，通過直接調(diào)整電機轉(zhuǎn)速進行介質(zhì)輸送壓力和流量的調(diào)整，所以能夠從設備用電源頭上進行能量節(jié)約[1]。從變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)構成上來看，包含變頻器、整流變壓器、邏輯控制器等設備。其中，整流變壓器與需要變頻柜配套，用于為變頻裝置提供電源。而邏輯控制器負責進行數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場設備運行監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)連鎖和邏輯控制，實現(xiàn)報警、通訊等功能。變頻器作為系統(tǒng)核心組成部分，可以在電機調(diào)速控制和保護上得到應用，確保電機平滑、可靠起動，避免電機、電網(wǎng)等受到?jīng)_擊。因此在應用變頻調(diào)速節(jié)能技術時，還要加強變頻器的選用。

2 中壓變頻器在鋼鐵廠中的節(jié)能應用

2.1 鋼鐵廠變頻節(jié)能需求

在鋼鐵廠中，對風機、水泵等設備進行了大量使用。比如在煉鐵工序中，包含助燃風機、除塵風機、冷卻循環(huán)給水泵等設備。在軋鋼作業(yè)中，包含冷卻風機、除塵風機等設備。這些設備作為鋼鐵廠的通用機械，將產(chǎn)生大量電能損耗。就目前來看，設備采用的電機多為交流驅(qū)動電機，可以通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風量、水流調(diào)節(jié)。但是，鋼鐵廠的工藝設備相對復雜，設備間存在較大的運行工況差異，在對設備進行變頻調(diào)速時，需要結合驅(qū)動電機負荷率確定節(jié)電效果。在電機運行工況與設計工況差距較大的情況下，節(jié)電效果往往更好。就目前來看，鋼鐵廠大多數(shù)用電設備并未采用變頻技術。而可以使用變頻技術的設備大多為公輔設施，改造后對生產(chǎn)線的影響不大，不會受到工藝、產(chǎn)品產(chǎn)量等方面的限制，所以技術應用的獨立性較強。所以在實際改造過程中，還要重點從環(huán)保、經(jīng)濟效益等方面確定技術應用的有效性。值得注意的是，在節(jié)能改造過程中，必須要對改造取得的效益展開分析。因為鋼鐵廠通常擁有較大的建設投資規(guī)模，通常在幾十億之上，每日的生產(chǎn)運營費用都較高。如果采用的節(jié)能改造技術僅能在小范圍適用，將很難獲得規(guī)模效益。因此在對鋼鐵廠進行變頻改造過程中，需要加強經(jīng)濟效益的分析。

2.2 節(jié)能采用的中壓變頻器

2.2.1 中壓變頻器。中壓變頻器的種類有較多中，按照中間環(huán)節(jié)是否存在直流可以劃分為交交變頻器和交直交變頻器，結合直流性質(zhì)可以劃分為電流型變頻器和電壓型變頻器等等。而按照電壓等級，可以劃分為中壓變頻器和通用變頻器。從原理上來看，大多就是利用面積等效原理。針對面積相等，但形狀不同的窄脈沖，在慣性條件下，將產(chǎn)生基本相同的輸出響應波形效果[2]。因此采用中壓變頻器，可以通過在電機繞組端施加窄脈沖，從而按正弦規(guī)律進行系列電壓脈沖的調(diào)制，促使回路中電流波形為正弦波。對于變頻器來講，中間環(huán)節(jié)直流將對輸入功率產(chǎn)生影響。因為電壓型的變頻器中間直流環(huán)節(jié)擁有大電流，電機無功電流由電容提供，電網(wǎng)間沒有無功交換，所以能夠使高功率因素得到保證。如果采用電流型，直流環(huán)節(jié)為大電感，電網(wǎng)與電機間將產(chǎn)生無功功率交換，無法保證高功率。一旦電機負荷減小，功率將隨之降低。因此在采用中壓變頻器時，需要采用電壓源型電容，獲得較高的輸入功率因數(shù)。

2.2.2 變頻器的選用?；裟犴f爾（Honeywell）變頻器在自動調(diào)頻領域始終占據(jù)領先地位，在自動化控制上采用了獨特的閉環(huán)控制思想，能夠大幅度降低能耗，并使工藝控制水平得到改善，同時達到減少電網(wǎng)沖擊、延長設備使用壽命和提高生產(chǎn)效率等作用，可用于進行風機、循環(huán)水泵、壓縮機等多種設備的變頻控制?；裟犴f爾的SolidDrive系列變頻調(diào)速裝置調(diào)速范圍為100：1，變換矢量控制的靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度能夠達到0.1%，起動轉(zhuǎn)矩為150%，整機效率超出了97%，逆變效率超出了98.5%，平均無故障工作時間超出100000小時，故障修復時間平均不超出10min。采用霍尼韋爾變頻器，可以完成對電壓、電流、功率因素、效率、頻率等多種狀態(tài)變量的監(jiān)控，實現(xiàn)DSP全數(shù)字控制，同時為CDMA等遠程監(jiān)控功能提供支持。此外，該種變頻器擁有完善保護功能，如電機過壓保護、輸入過壓保護、變壓器過熱保護等。因此在鋼鐵廠節(jié)能保護方面，可以選用霍尼韋爾SolidDrive系列變頻器。寶鋼股份梅鋼公司煉鐵廠4#高爐熱風爐助燃風機就是采用霍尼韋爾SolidDrive系列10kV變頻器驅(qū)動1400kW助燃風機電機。

2.3 中壓變頻器的節(jié)能應用

2.3.1 在風機電機控制中的應用。在鋼鐵廠的節(jié)能改造工作中應用中壓變頻器，可以實現(xiàn)高爐熱風爐系統(tǒng)助燃風機的節(jié)能改造。在煉鐵工藝生產(chǎn)過程中，采用鐵礦石和焦炭等進行鐵水的冶煉，高爐需要大量高溫氣流，需要由空氣經(jīng)熱風爐加熱產(chǎn)生。助燃風機是熱風爐工作的重要設備。為實現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)，煉鐵廠鐵廠采用電爐鋼鐵系統(tǒng)進行煉鋼操作，利用系統(tǒng)配備的除塵風機進行煙氣中污染物去除。但是在實際的生產(chǎn)中，助燃風機采用不同的的風量供給熱風爐，因此鋼鐵廠采用了風機出口電動風門和液力耦合器進行除塵風機調(diào)速調(diào)風。但是采用該種裝置，在風機轉(zhuǎn)速由低向高轉(zhuǎn)變過程中，存在明顯延遲，導致電機無法快速響應。此時，裝置中電流較大，容易引起系統(tǒng)跳閘，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響。而電動風門的控制精度較差，只能在40%-90%范圍內(nèi)調(diào)速。在電機起動時，將產(chǎn)生很大的啟動電流。在電機高速運行時，甚至會出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)問題。此外，在調(diào)速過程中，需要利用導管對工作腔液量進行調(diào)整，通過改變扭矩和輸出轉(zhuǎn)速滿足不同工況要求，因此需要經(jīng)常進行供油系統(tǒng)維修養(yǎng)護。一旦耦合器發(fā)生故障，風機將無法繼續(xù)運行[3]。而長時間運行，將導致偶合器嚴重漏油，給環(huán)境帶來較大污染。生產(chǎn)中，也容易產(chǎn)生環(huán)保問題，所以無法滿足系統(tǒng)生產(chǎn)需要。在節(jié)能改造的過程中，針對煉鐵廠采用的YKK630-4 1400kW助燃風機電機，采用SolidDrive系列變頻器可以完成軟啟動和無級調(diào)速，從而實現(xiàn)電機的高效變頻。在煉鐵廠生產(chǎn)的過程中，在進行高爐煉鐵的過程中，可以結合鐵水煉制時熱風爐助燃風量需求完成頻率適當選擇，從而根據(jù)產(chǎn)生煙氣量和溫度進行風機電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，達到更好的助燃效果。采用該方法進行風機電機控制，可以使熱風爐助燃系統(tǒng)電能消耗量得到顯著減少，同時使系統(tǒng)工作效率得到提高。通過改造可以使熱風爐助燃系統(tǒng)風量調(diào)節(jié)實現(xiàn)無級調(diào)速并消除電機啟動電流沖擊對電網(wǎng)的影響，所以能夠降低系統(tǒng)功耗，獲得理想的節(jié)能效果。

2.3.2 在水泵電機控制中的應用。鋼鐵廠在煉鐵、煉鋼過程中，需要利用使泵供應大量的水。但是在不同工藝中，用水量存在一定的差別。煉鐵廠采用固定轉(zhuǎn)速電機進行水泵驅(qū)動，并采用控制閥對管道流量變化進行控制，將導致用水量大的情況下，水泵以額定條件運行，運行效率較高。但是在用水量少的情況下，利用調(diào)節(jié)閥減小出水量，將導致水泵運行與水量間出現(xiàn)的壓差較大[4]。此時，水泵依然以額定功率運行，將導致大量能量損失。針對煉鐵廠水泵運行問題，還要采用中壓變頻器進行水泵電機控制。采用該種方法，能夠使水泵電機處在可變速條件下，確保水泵運行特性曲線與系統(tǒng)流量變化相匹配。利用壓力傳感器，可以將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號。而借助變頻器進行壓力值的比較和計算，并將運算結果轉(zhuǎn)換為調(diào)頻信號，則能完成水泵電機電源頻率的適時調(diào)整，有效避免水泵能量損失，達到節(jié)能控制的目標。

從節(jié)能改造效果來看，改造前熱風爐助燃風機在熱風爐正常燒爐及換爐時都是全速全功率運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1440轉(zhuǎn)/分，功率為1400kW，耗費電能1400kWH，在使用變頻改造后正常燒爐轉(zhuǎn)速是全速全功率運轉(zhuǎn)，換爐時轉(zhuǎn)速僅為平時的三分之一即500轉(zhuǎn)/分左右，根據(jù)風機功率前后比與轉(zhuǎn)速前后比成三次方關系，故助燃風機電機功率的二十七分之一，相應節(jié)約巨大的電能，產(chǎn)生了非?？捎^的經(jīng)濟效益。

3 結束語

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在鋼鐵廠節(jié)能改造方面，可以采用中壓變頻器實現(xiàn)風機、水泵等設備的變頻調(diào)速控制，達到改善設備運行工況的目的。采用該種變頻調(diào)速節(jié)能技術，可以通過調(diào)整電機電源頻率從供電方面實現(xiàn)電能節(jié)省，每年約能節(jié)省大量的電能費用，所以能夠為鋼鐵廠帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。因此相信在鋼鐵廠推行清潔生產(chǎn)理念創(chuàng)建城市鋼鐵廠的過程中，該種技術能夠得到較好的應用。

參考文獻：

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[4]李輝，歐陽前武.鋼鐵廠壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能潛力案例分析[J].能源與節(jié)能，2014（02）：81-83.