高压变频器在炼铁厂除尘系统中的应用

高压变频器在炼铁厂除尘系统中的应用【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APPLICATIONOFHIGHVOLATGECONVERTERUSEDINTHEDUSTINGSYSTEMFORIRONANDSTEELPLANTABSTRACTTHEELECTRICALCONTROLLEVERWEREIMPROVEDANDTHEMARKOFENERGYSAVINGWEREREACHEDBYUSINGHIGHVOLATGECONVERTERINTHEDUSTINGSYSTEMKEYWORDSDUSTINGSYSTEMHIGHVOLATGECONVERTERENERGYSAVING在高炉炼铁过程中，出铁厂不可避免会产生大量烟气、灰尘，也含有相当一部分的有害物质，对这些烟气、灰尘进行处理，为此炼铁工艺设备中必不可少的一种设备就是除尘风机。通过除尘风机把产生的烟气、灰尘吸入到除尘设备中进行处理，再排入大气中。根据炼铁工艺，每一个冶炼周期，在出铁时烟气、灰尘很大，出完铁1020分钟后，出铁厂基本没有烟气、灰尘，因此除尘风机只有出铁时电机、风机处于全负荷，其它时间除尘风机的电机可以处于低速运行状态。南通宝钢炼铁厂除尘风机原系统在风机启动后电机按额定的转速运行，在整个生产过程中都处于工频状态运行，其风机的风量是通过调节风门挡板的开度来控制的。为了达到节能降耗，我们对出铁厂除尘风机进行变频调速，采用高压变频技术对系统进行改造。1高压节能设备选型炼铁厂高炉除尘风机的电机型号YKK5606800KW10000V547A993转/分从产品技术的先进性、可靠性以及高性能价格比角度考虑,我们选用北京乐普四方公司的LPH106800高压智能化节能设备，该设备采用西门子罗宾高的高压变频器，加上LPH106800控制主板及LP控制软件，减少了电网的谐波污染，不存在因谐波引起的电机发热、转矩脉动、噪音、共模电压等。2系统结构图为了确保除尘风机的高压系统可靠运行，在设计时采用了旁路技术，增加一旁路柜，将高压变频器、隔离开关安装在柜中。详细见下图高压柜高压母线HIVERT高压变频器旁路柜系统结构图一次回路图旁路柜与上级高压断路器DL有联锁关系，旁路柜隔离开关未合到位时，不允许DL合闸，DL合闸时，绝对不允许操作隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。隔离开关与DL的联锁通过操作手柄上的电磁锁实现，在DL合闸状态下，操作手柄被锁死。为了保护变频器，在变频器与断路器DL之间还有电气联锁，联锁信号有合闸闭锁、故障分闸。3高压变频原理旁路柜中有三个隔离开关K1、K2和K3，其中K2和K3为一个双刀双投的隔离开关。双刀双投隔离开关的特点是两个方向只能合其一，实现机械互锁，防止误操作将工频电源反送到变频器输出侧而导致变频器损坏。变频运行K1、K2闭合，K3断开，由合闸断路器DL为变频器供电，再通过变频器本地或远程启动电机变频运行；工频定速运行K1、K2断开，K3闭合，由合闸断路器DL直接启动电机定速运行；变频器维护、修理K1、K2断开，变频器与高压电源完全隔离。LPH系列高压节能设备LPH系列高压智能化节能设备采用交直交直接高压（高高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出10KV，且因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。LP牌高压智能化节能设备采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。隔离变压器为三相干式整流变压器，风冷，有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入可为任意电压，Y接；副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定，10KV系列为27个，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。为了最大限度抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以LP牌高压智能化节能设备输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。三相输出Y接，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。31二次回路及控制控制系统由控制器，IO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下图LP牌高压智能化节能设备控制系统结构图所示。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IO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。IO接口板用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。功率单元10KV电动机单元单元隔离变压器输入电源单元A2单元1单元B单元单元单元C2单元1单元单元单元控制器输出电流检测输出电压检测接口板信号人机界面现场系统，通讯协议信号LPH系列高压智能化节能设备控制系统图（10KV系列4节能分析及经济效益41节能分析除尘风机主要用于将高炉出铁厂产生的烟气、灰尘吸入布袋除尘处理，将灰尘过滤后，烟气从烟囱中排放。该系统在设计时首先要满足高炉在出铁时最大负荷的需求及运行情况下电机和负载都是按照最大负荷的1225倍来设计的，由于炼铁出铁厂除尘系统基本上额定转速工频运行,而高炉的整个炼铁流程炼铁过程占整个流程的三分之二,出铁过程占整个流程的三分之一,即只有出铁时才需要风机满负荷工作,在炼铁时风机基本上处于轻载运行,这样大大的浪费了能源，对除尘风机及电机造成无谓的磨损。LP智能化节能设备通过对高炉出铁口进行远程控制，在出铁厂加装红外线检测仪，及时检测出铁口状况，控制风机在出铁时满负荷运行，LPH系列高压智能化节能设备10KV系列控制系统图而不出铁时控制风机保持在最经济状态下运行，既能保持设备运行状况良好，又能达到高效节能的目的。42风机节能原理即风门调节与变频调节的区别图中曲线1为风机在恒速下压力H和流量Q的特性曲线，曲线2是管网风阻特性（阀门开度为100）。假设风机在设计时工作在A点的效率最高，输出风量Q1为100，此时的轴功率P1Q1H1，与面积AH10Q1成正比。根据工艺要求，当风量需从Q1减少到Q2（例如70）时，如采用调节阀门的方法，相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性曲线2变到曲线3，系统由原来的工况A点变到新的工况B点运行，由图中可以看出，风压反而增加了，轴功率P2与面积BH20Q2成正比，减少不多。如果采用变频调速控制方式，将风机转速由N1降到N2，根据风机的比例定律，可以画出在转速N2下压力H和风量Q特性如曲线4所示，可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3将大幅度降低，功率P3（相等于面积CH30Q2）也随着显著著减少，节省的功率P2HQ2与面积BH2H3C成正比，节能的效果是十分明显的。由流体力学可知，风量Q与转速的一次方成正比，风压H与转速N的平方成正比，轴功率P与转速的立方成正比，当风量减少，风机转速下降时，其功率下降很多。43液力耦合器调速与变频调速的区别液力耦合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量并改变输出转速的，电动机通过液力耦合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力耦合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载，这样，可以通过控制工作腔内的油压来控制输出轴的力矩，达到控制负载的转速的目地。因此液力耦合器也可以实现负载转速无级调节，在变频器未应用以前，液力耦合器不失为一种较为理想的交流电机调速方式。液力耦合器从电动机输出轴取得机械能，通过液力变速后送入负载，其效率不可能为1；变频器从电网取的电能，通过逆变后送入电动机其效率也不可能是1；在全转速范围内，变频器的效率变化不大，变频器在输出低转速下降时效率仍然较高，例如100转速时效率97，75转速时效率大于95，20转速时效率大于90；液力耦合器的效率基本上与转速成正比，随着输出转速的降低，效率基本上成正比下降。例如100转速时效率95，75转速时效率约72，20转速时效率约19。液力耦合器用于风机、泵类负载，由于其轴功率与转速的三次方成正比，当转速下降时，虽然液力耦合器效率与转速成正比下降，但电动机综合轴功率还是随着转速的下降成二次方比例下降，因此在变频器取代液力耦合器调速时，计算节能时，电机轴功率与转速的一次方成正比。44变频调速运行效果在交流调速中，交流电机的调速公式N60F11S/P,而电机功率PPN/N当电机频率下降时，电机的转速成比例减小，流量按（2）式比例减小，功率按（1）式大大降低，从而达到节能的目的。其减少的功耗PP01N1/N0（1）式减少的流量QQ01N1/N0（2）式其中N1为改变后的转速，N0为电机原来的转速，P0为原电机转速下的电机消耗功率，Q0为原电机转速下所产生的流量。由上式可以看出流量的减少与转速降低的一次方成正比，功耗的减小与转速降低的三次方成正比,因此改变频率，节能效果显著。45从软件方面分析；LPH系列高压智能化节能设备采用计算机模糊控制理论自主研发的LP控制软件，该控制软件能使变频器、电机、负载（风机）三者在效率乘积最大化区域内运行；还具有智能控制功能，根据系统运行变化情况，经过科学预测计算，适时给出一个电机运行频率，解决系统运行当中的滞后性及瞬变性问题，从而在满足生产需求前提下，最大限度地减少电耗，比一般变频器提高节能率10左右，节能效果更佳。该控制软件已获得国家专利、并被国家四大部委确认为2005年国家级重点新产品，并被北京市节能中心确定为节能推广产品。46效益分析安装使用LP智能化节能设备的节能统计设备名称设备功率KW安装设备前每月耗电万度安装设备后每月节能万度安装设备前每月耗电费万元安装设备后每月节能费万元高炉除尘风机80043617442398959根据安装LP节能设备使用后统计，每月可节约用电1744万度，节约电费959万元，设备运行32个月即可收回全部投资。以上数据均为每天24小时，每月30天，电价按055元/KWH计算。5系统调试中的问题及解决办法51在高压变频器通电之前，对进线变压器进行耐压实验，可分三次以上不同的时间进行，完成之后，才能对高压变频器通电进行调试。调试时的速度由变频器直接输出，从10到100的额定速度，分段进行速度给定，这期间注意高压变频器及电机等设备运行情况。当运行正常后，即可开始连接风机带负荷运行，速度也是由10到100的额定速度给定分阶段进行升、降速。在此阶段必须调节好高压变频器的升、降速时间，不能过快，否则变频器会报故障而停机，甚至会烧坏IGBT模块。针对除尘风机情况，一般升速时间在70秒左右，降速时间在100秒左右，这样即保证了生产工艺要求的快速升降速度，又保护了变频器不会损