转炉一次除尘风机高压变频改造.doc

唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 前前 言言 众所周知 钢铁工业是我国国民经济的支柱产业 也是资源 能源 资金 技术 和劳动力密集行业和污染排放大户 近年来 我国钢铁工业通过结构调整和技术进步 在节能降耗 减少污染物排放方面取得了显著成效 炼钢厂转炉吹炼过程中 会产生大量含有 CO 少量 CO2及微量其它成分高温气体 在气体中央带着大量氧化铁 金属铁和其他颗粒细小的固体烟尘即炉口观察到得棕红 色浓烟这股高温含尘气流冲出炉口进入眼罩与净化系统 在气体流出炉口进入烟罩的 同时 或多或少地吸入部分空气使 CO 燃烧 转炉烟气的特点是温度高 气体多 含尘 量大 气体具有毒性与爆炸性 必须对转炉烟气进行净化处理 转炉一次除尘就担任 了此项任务 除尘风机是除尘系统的关键设备 一旦除尘风机不能正常工作 不仅耽误生产 影响质量 还有可能对现场工作人员的人身安全造成威胁 现在除尘风机大多数采用 液力耦合器控制 由于采用液力耦合器存在调速范围有限 调速精度低 线性度差 漏油严重 环境污染大等缺点 而通过使用变频器控制风机后 不仅能解决使用液力 耦合器时带来的缺点 而且改善了工艺过程 根据工艺需求自动调节风量 同时提高 了生产工艺自动化程度 实现除尘风机自动调节 精简了控制程序 使操作更加方便 提高了生产效率 从而达到了节能降耗的目的 其综合效益是特别明显的 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 目目 录录 1 课题提出的目的以及意义 1 2 转炉一次除尘系统简介 1 2 1 转炉一次除尘系统的目的 1 2 2 工艺参数 1 2 3 转炉一次除尘工艺结构图 2 2 4 转炉一次除尘系统结构 2 2 5 转炉一次除尘工艺概述 3 2 6 转炉一次除尘工艺流程图 3 3 一次除尘电动机及风机设备主要参数 3 3 1 电动机 3 3 2 除尘风机 4 4 转炉除尘风机的工艺要求 5 4 1 转炉工作一个工艺周期的工艺流程图及分析 5 5 风机的控制方式主要有二种 5 5 1 通过液力耦合器控制风机 5 5 2 通过变频器控制风机 6 6 风机控制的具体实现 9 6 1 电机和风机监控主要数据表 9 6 2 除尘风机控制系统图 9 6 3 除尘风机控制系统的分析 9 7 节能 10 7 1 节能原理 10 7 2 节能分析 10 总 结 12 主要参考文献 13 附图 14 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 1 1 1 课题提出的目的以及意义课题提出的目的以及意义 目前 在转炉除尘风机运行上大多采用液力耦合器进行调速控制 它比直接调整 风门前进了一步 提高了负载的功率因数 改善了电机的启动冲击 传递功率大 操 作维修简单 但其滑差功率损失较大 调速范围相对较窄 速度变化跟随慢 节能效 果较差 随着国家对环境保护的日益加强 企业挖潜增效的日益深入 生产现场需要 调速范围宽 生产效率高 节能效果显著 并能在原有设备基础上 方便地改造电气 装置 优化除尘风机的控制 变频调速装置可以方便地实现上述除尘风机的控制要求 变频器具备软启动 软 停止 频繁启动不会对设备及电网产生冲击 速度跟随快 节能显著的功能 故当转 炉在非吹炼期间风机没有除尘任务时 可以减速运行 并利用减速过程的惯性再用高 压水对叶轮进行冲洗 在实际的工艺控制过程中 可根据实时检测烟道烟尘浓度或氧 枪工作信号与调速系统构成闭环控制方式 实现风机自动调速控制运行 2 2 转炉一次除尘系统简介转炉一次除尘系统简介 2 12 1 转炉一次除尘系统的目的转炉一次除尘系统的目的 转炉吹炼过程中 会产生大量含有 CO 少量 CO2及微量其它成分高温气体 在气 体中央带着大量氧化铁 金属铁 其他颗粒细小的固体烟尘 即炉口观察到得棕红色 浓烟 这股高温含尘气流冲出炉口进入眼罩与净化系统 在气体流出炉口进入烟罩的 同时 或多或少地吸入部分空气使 CO 燃烧 转炉烟气的特点是温度高 气体多 含尘 量大 气体具有毒性与爆炸性 所以必须对转炉烟气进行净化处理 一次除尘就是将 烟气冷却 净化 由引风机将其排至烟筒放散或输送到煤气回收站备用 2 22 2 工艺参数工艺参数 转炉公称容量 50t 转炉座数 2 座 2 吹 2 铁水装入量 最大 44t 冶炼周期 30min 其中吹氧时间 16 18min 脱碳速度 最大 0 5 min 表 1 脱碳速度表 名称吹氧时间 min平均脱碳速度 min最大脱碳速度 min 前烧期2 中期12 后期2 0 35 0 5 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 2 表 2 原始炉气温度和成分表 表 3 烟气净化后成分表 2 32 3 转炉一次除尘工艺结构图转炉一次除尘工艺结构图 图图 1 除尘工艺结构图除尘工艺结构图 2 42 4 转炉一次除尘工艺结构转炉一次除尘工艺结构 一级溢流文氏管 一文 二级文氏管 二文 除尘鼓风机 煤气柜 放散烟筒 等构成 一级文氏管 一文 作用 主要起消火 粗净化和降温的作用 二级文氏管 二文 作用 起精细净化作用 煤气柜 主要储存回收后的煤气 名称温度COCO2N2O2 前烧期1450 60 30 9 1 0 中烧期1550 86 10 3 5 0 5 后烧起1600 65 25 9 1 0 COCO2N2O2 64 3 15 4 16 3 0 4 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 3 放散烟筒 主要用于排放烟气 2 52 5 转炉一次除尘工艺概述转炉一次除尘工艺概述 转炉 1500 度的高温烟气经汽化冷却烟道冷却至 800 1000 度后 进入洗涤塔 其 中设有一级溢流文氏管 二级文氏管 旋流脱水器等 使烟气在一级溢流文氏管经降 温和粗除尘后 在脱水器 I 脱出污水 然后再二级文氏管中进一步净化 并经脱水 器 II 脱水 进入鼓风机 煤气经三通切换阀 水封逆止阀后进入煤气柜 供用户使 用 不回收时烟气经三通切换阀和放散烟筒点燃放散 一级文氏管除尘污水从脱水器 I 排入污水处理系统 污水经粗粒分离池 辐射沉淀池澄清后 浊环水供二级文氏 管喷淋 其排出的污水经水泵供给一文除尘用 实现串级供水 经辐射沉淀池浓缩的 泥浆送至中间罐 由泵打入板框压缩机进行脱水 脱水后含水率 30 的泥饼通过汽车 送往烧结厂利用 条件允许时也可将辐射沉淀池的泥浆用泵直接送往烧结厂 经进一 步浓缩后 供烧结厂混作原料配水使用 2 62 6 转炉一次除尘工艺流程图转炉一次除尘工艺流程图 图图 2 除尘工艺流程图除尘工艺流程图 3 3 一次除尘电动机及风机设备主要参数次除尘电动机及风机设备主要参数 3 13 1 电动机 电动机 型号 YBKS560 2 额定电压 10KV 额定电流 110A 功率 1250KW 功率因数 0 89 额定转速 2400r min 轴承报警温度和停机温度 80 度 85 度 轴瓦报警温度和停机温度 75 度 80 度 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 4 定子报警温度和停机温度 135 度 140 度 3 23 2 除尘风机除尘风机 除尘风机是除尘系统的关键设备 一旦除尘风机不能正常工作 不仅耽误生产 影响质量 还有可能对现场工作人员的人身安全造成威胁 图图 3 除尘风机除尘风机 3 2 13 2 1 风机各项参数风机各项参数 型号 AII1300 1 124 0 787 额定电压 10KV 额定电流 107 5A 进口流量 1300m min 出口压力 1 124 98KP 轴承报警温度和停机温度 75 度 80 度 轴瓦报警温度和停机温度 70 度 75 度 3 2 23 2 2 结构结构 本产品结构 该风机为单级吸入 单极 双支承结构 3 2 33 2 3 工作原理工作原理 离心鼓风机是把原动机 电动机 的机械能转变为气体压力能和速度能的一种机 械 气体经进气室均匀地进入叶轮 在叶轮片的作用下 随着叶轮高速旋转 气体由 于受到离心力的作用 以及在叶轮里的扩压流动 使气体通过叶轮后的压力和速度得 到了提高 由叶轮排出的高压 高速气体在流经扩压器后其流动速度逐渐减慢而压力 进一步提高 最后通过蜗壳将气体汇集起来 蜗壳也具有一定的减速扩压作用 由圆 形出口排送到工艺流程中 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 5 4 4 转炉除尘风机的工艺要求转炉除尘风机的工艺要求 4 14 1 转炉工作一个工艺周期的工艺流程图及分析转炉工作一个工艺周期的工艺流程图及分析 在 B 点 工艺要求风机转速迅速升高 B C 点时间应为 30s 在 C 点 风机达 到高速运转 C D 的时间为 12 5 14min 在 D 点 工艺要求风速从高速降到中速 在 E 点 风速应从中速降到低速 B C 和 D E 时间均应为 30s 这样就完成了一 次炼钢周期 从转炉工作情况看 转炉每个冶炼周期为 30min 左右 吹炼时间和装 出料的时 间基本各占一半 风机在转炉吹炼时高速运行 在吹炼后期及补吹时中速运行 而在 出钢和装料期间可将速度降低到额定转速的 10 15 低速运行 即可满足转炉冶 炼工艺的除尘要求 5 5 风机的控制方式主要有二种风机的控制方式主要有二种 5 15 1 通过液力耦合器控制风机通过液力耦合器控制风机 5 1 15 1 1 液力耦合器的简要介绍液力耦合器的简要介绍 1 液力耦合器 液力耦合器是一种液力传动装置 又称液力联轴器 2 液力耦合器各项参数 型号 YOTGC450 防爆调速型 输入转速 2900r min 传递功率范围 900 1600kW 额定滑差率 1 5 3 3 基本结构 液力耦合器其结构主要由壳体 泵轮 涡轮三个部分组成 4 液力耦合器基本原理 电动机运行时带动液力耦合器的壳体和泵轮一同转 动 泵轮叶片内的液压油在泵轮的带动下随之一同旋转 在离心力的作用下 液压油 被甩向泵轮叶片外缘处 并在外缘处冲向涡轮叶片 使涡轮在受到液压油冲击力而旋 转 冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动 返回到泵轮内缘 然后又被泵轮再 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 6 次甩向外缘 液压油就这样从泵轮流向涡轮 又从涡轮返回到泵轮而形成循环的液流 液力耦合器中的循环液压油 在从泵轮叶片内缘流向外缘的过程中 泵轮对其作功 其速度和动能逐渐增大 而在从涡轮叶片外缘流向内缘的过程中 液压油对涡轮作功 其速度和动能逐渐减小 液压油循环流动的产生 是泵轮和涡轮之间存在着转速差 使两轮叶片外缘处产生压力差 液力耦合器工作时 电动机的动能通过泵轮传给液压 油 液压油在循环流动的过程中又将动能传给涡轮输出 液压油在循环流动的过程中 除受泵轮和涡轮之间的作用力之外 没有受到其他任何附加的外力 根据作用力与反 作用力相等的原理 液压油作用在涡轮上的扭矩应等于泵轮作用在液压油上的扭矩 5 1 25 1 2 采用液力耦合器控制风机存在的缺点采用液力耦合器控制风机存在的缺点 1 调速范围有限 约为 50 95 转速不稳定 高速段减小了设备的出力能 力 低速段影响节能效益的发挥 2 调速越低时效率越低 低速时发热厉害 3 调速精度低 线性度差 响应慢 不大适应自动控制要求 4 电机虽然可以不带载启动 但仍然有 5 倍左右的冲击电流 影响电网稳定 5 必须串入电机和机械负载的连接轴中 不适合于设备改造 液力耦合器故障 时 没有工频旁路系统 负载机械将无法运转 必须停机检修 6 漏油严重 对环境污染大 可靠性差 维修难度大 严重浪费人力及影响生 产 5 25 2 通过变频器控制风机通过变频器控制风机 5 2 15 2 1 通用变频器结构通用变频器结构 主要由整流 交流变直流 滤波 再次整流 直流变交流 制动单元 驱动单 元 检测单元微处理单元等组成的 5 2 25 2 2 通用变频器基本原理通用变频器基本原理 1 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分 变频器的主电路 大体上可分为两类 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器 直流回路的滤波是 电容 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器 其直流回路滤波是电感 它由 三部分构成 将工频电源变换为直流功率的 整流器 吸收在变流器和逆变器产生的 电压脉动的 平波回路 以及将直流功率变换为交流功率的 逆变器 整流器 最近大量使用的是二极管的变流器 它把工频电源变换为直流电源 也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器 由于其功率方向可逆 可以进行再生运转 平波回路 在整流器整流后的直流电压中 含有电源 6 倍频率的脉动电压 此 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 7 外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动 为了抑制电压波动 采用电感和电容吸 收脉动电压 电流 装置容量小时 如果电源和主电路构成器件有余量 可以省去电 感采用简单的平波回路 逆变器 同整流器相反 逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率 以所确定的时间使 6 个开关器件导通 关断就可以得到 3 相交流输出 以电压型 pwm 逆变器为例示出开关时间和电压波形 2 控制电路是给异步电动机供电 电压 频率可调 的主电路提供控制信号的回 路 它由频率 电压的 运算电路 主电路的 电压 电流检测电路 电动机的 速度检测电路 将运算电路的控制信号进行放大的 驱动电路 以及逆变器和电 动机的 保护电路 组成 运算电路 将外部的速度 转矩等指令同检测电路的电流 电压信号进行比较 运算 决定逆变器的输出电压 频率 电压 电流检测电路 与主回路电位隔离检测电压 电流等 驱动电路 驱动主电路器件的电路 它与控制电路隔离使主电路器件导通 关 断 速度检测电路 以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号 送 入运算回路 根据指令和运算可使电动机按指令速度运转 保护电路 检测主电路的电压 电流等 当发生过载或过电压等异常时 为了 防止逆变器和异步电动机损坏 使逆变器停止工作或抑制电压 电流值 5 2 35 2 3 高压变频调速系统原理高压变频调速系统原理 高压变频调速系统采用直接 高 高 变频方式 为单元串联多电平拓扑结构 主 体结构由多组功率模块串并联而成 从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出 它 对电网谐波污染小 总体谐波畸变小于 4 可直接满足谐波抑制标准的要求 其工作 原理如下 1 电网电压经过副边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 电压源型逆变结构 相邻功率单元的输出端串 接起来 形成 y 接结构 实现变压变频的高压直接输出 供给高压电动机 高压变频 调速系统每相由 5 个功率单元串联而成 输出相电压最高可达 3500v 线电压达 6kv 左 右 每个功率单元承受全部的电机电流 但只提供 1 5 相电压和 1 15 的输出功率 2 每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电 功率单元之间及变压器二 次绕组之间相互绝缘 二次绕组采用延边三角形接法 实现多重化 以达到降低输入 谐波电流的目的 给功率单元供电的二次绕组每 3 个一组 分为 5 个不同的相位组 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 8 输入电流波形接近正弦波 总的谐波电流失真小于 1 输入的综合功率因数可达 0 95 以上 3 逆变器输出采用多电平移相式 pwm 技术 同一相的功率单元输出相同幅值 和相位的 基波电压 但串联各单元的载波之间互相错开一定的电角度 实现多电平 pwm 输出电压非常接近正弦波 每个电平台阶只有单元直流母线电压大小 所以 dv dt 很小 功率单元采用较低的开关频率 以降低开关损耗 提高效率 由于采用移 相式 pwm 电机电压的等效开关频率大大提高 且输出电平数增加 有利于改善输出 波形 降低输出谐波 由谐波引起的电机发热 噪音和转矩脉动都大大降低 因此对 电机没有特殊要求 可直接用 5 2 45 2 4 采用高压变频器对除尘风机控制的主要优点采用高压变频器对除尘风机控制的主要优点 1 改善工艺过程 根据工艺需求自动调节风量 同时提高了生产工艺自动化 程度 实现除尘风机自动调节 2 变频器自身保护功能完善 同原来继电保护比较 保护功能更多 更灵敏 大大加强了对电机的保护 3 电动机实现了真正的软启动 软停运 变频器提供给电机的无谐波干扰的正 弦波电流 降低了电机的故障次数 同时 变频器设置共振点跳转频率 避免了风机 长期在共振点运行 使风机工作平稳 风机轴承磨损减少 延长了电机 风机的使用 寿命和维修周期 提高了风机的利用时率 4 同液力耦合器比较 在加速期间大大减小了噪声 削弱了噪声污染 由于不 用定期拆换轴承 减少了机油对环境的污染 使风机房的现场环境有了极大改善 5 改造后 精简了控制程序 使操作更加方便 提高了生产效率 从而达到了 节能降耗的目的 其综合效益是特别明显的 5 2 55 2 5 选用的高压变频器选用的高压变频器的各项参数的各项参数 型号 HIVERT Y 10 115 额定电压 10KV 额定容量 1600KVA 额定频率 50HZ 调制技术 空间矢量控制的正弦波 PWM 技术 输入功率因数 0 96 效率 0 96 变频部分 0 98 5 2 65 2 6 高压变频器控制原理图高压变频器控制原理图 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 9 图图 5 高压变频控制原理图高压变频控制原理图 6 6 风机控制的具体实现风机控制的具体实现 6 16 1 电机和风机监控主要数据表电机和风机监控主要数据表 表表 4 电机及风机数据表电机及风机数据表 名称温度报警 停机 风机轴瓦 70 报警 风机轴瓦 75 停机 风机轴承 75 报警 风机轴承 80 停机 电机轴瓦 75 报警 电机轴瓦 80 停机 电机轴承 80 报警 电机轴承 85 停机 电机定子 135 报警 电机定子 140 停机 6 26 2 除尘风机控制系统图除尘风机控制系统图 6 36 3 除尘风机控制系统的分析除尘风机控制系统的分析 1 除尘风机控制系统主要由人机界面 PLC 可编程序控制器 高压变频器 电 动机 除尘风机等设备构成 2 人机界面 即电脑操作画面 主要监控整个除尘风机系统运行的情况 操作 界面时时显示监控数据 如电机轴承 轴瓦温度等 设备发生故障时 画面上呈现报 警状态 对此操作人员就可以去做相关的工作 PLC 可编程序控制器 在整个除尘风机控制系统中起控制作用 传感器将信 号时时送往 PLC PLC 依据相关的程序去处理 高压变频器 主要起调速作用 电动机 主要起传动作用 带动除尘风机运行 除尘风机 除尘风机是除尘系统中的关键设备 一旦除尘风机不能正常工作 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 10 不仅耽误生产 影响质量 还有可能对现场工作人员的人身安全造成威胁 3 电动机的轴瓦 轴承 定子温度通过温度传感器来进行检测 传感器将温度 信号送到 PLC PLC 依据相关程序进行处理 如果温度达到报警状态时 人机界面会呈 现出温度报警画面 此时操作人员就可以通过人机界面的报警去做相关的工作 如果 温度达到停机状态时 PLC 会将停机信号送到变频器 变频器就停止工作 电动机也就 停止工作了 风机的轴瓦 轴承温度通过温度传感器来进行检测 传感器将温度信号送到 PLC PLC 依据相关程序来进行处理 如果温度达到报警状态时 人机界面就会呈现出 报警画面 此时操作人员通过人机界面的报警去做相关的工作 如果温度达到停机状 态时 PLC 会将停机信号送到变频器 变频器就会停止工作 电动机也就停止工作了 风机润滑系统入口压力由压力传感器来进行检测 传感器将信号送到 PLC PLC 会依据相关程序进行处理 如果温度达到报警时 人机界面会呈现出报警的画面 操 作人员通过人机界面的报警来做相关的工作 如果压力达到停机状态时 PLC 会将停机 信号送到变频器 变频器就会停止工作 电动机也就停止工作了 风机管道入口 出口压力 温度 流量检测通过压力 温度 流量传感器来检 测 传感器将信号送到 PLC PLC 依据相关程序进行处理 如果压力 温度 流量达到 报警状态时 人机界面就会呈现出报警画面 此时操作人员通过人机界面的报警去做 相关的工作 如果压力 温度 流量达到停机状态时 PLC 会将停机信号送到变频器 变频器就会停止工作 电动机也就停止工作了 根据前面除尘风机的速度曲线可以得出除尘风机需要三个速度段即低速 中速 高速 风机在转炉吹炼时须高速运行 而在吹炼后期及补吹时须中速运行 在出钢和 装料期间可将速度降低到额定转速的 10 15 低速运行 7 7 节能节能 7 17 1 节能原理节能原理 交流异步电动机的输出转速由下式确定 n 60f 1 s p 变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率 从而达到调节交流电动机的 输出转速的目的 当采用变频调速时 可以按需要升降电机转速 改变风机的性能曲 线 使风机的额定参数满足工艺要求 根据风机的相似定律 变速前后流量 压力 功率与转速之间关系为 q1 q2 n1 n2 h1 h2 n1 n2 2 唐山工业职业技术学院自动化系毕业设计 07 电气 12 张浩明 11 p1 p2 n1 n2 3 q1 h1 p1 风机在 n1 转速时的流量 压力 功率 q2 h2 p2 风机在 n2 转速时相似工况条件下的流量 压力 功率 假如转速降低一半 即 n2 1 2 则 p2 p1 1 8 可见降低转速能大大降低轴功率 达到节能的目的 当采用变频调速时 50Hz 满载时功率因数为 0 96 低速运行时工作电流要比电机 额定电流值低许多 由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用 可以为 电网节约容量 20 左右 7 27 2 节能分析节能分析 转炉炼一炉钢的周期大约为 30min 分为进料 吹氧 出料三个步骤 高速 19min 运行在 50Hz 左右 低速 6min 运行在 15Hz 左右 用液耦调速的工频运行状 态下 高速时电流为 120A 低速时电流为 50A 根据除尘风机的运行记录 全年工作时制按 8000h 平均电价按 0 55 元 kw h 计算 得到如下数据 1 电动机在工频状态下的耗电量计算由公式 pd u i cos 得出 3 高速时 pd 10 120 0 88 1097kw3 低速时 pd 10 50 0 8 416 kw3 则 1250kw 电机用液耦调速工频运行时 这 2 台总的年耗电量计算如下 cd 1097 19 416 6 20 8000 2 416 8000 17611200 1761 1 万 kw h 工频电费 17611200 0 55 9686160 968 6 万元 2 电动机在变频状态下的耗电量计算由相似定律公式 p1 p2 n1 n2 3 得出 高速时 pb 1000kw 低速时 pb 15 50 1250 0 5 0 9 75 kw 则 1250kw 电机若用高压变频器调速运行时 这 1 台总的年耗电量计算如下 cb 1000 19 75 6 20 8000 2 11560000 1156 0 万 kw h 变频电费 11560000 0 55 6358000 635 8 万元 3 变频改造后 可计算出改造 1 台变频器 其节电情况如下 年节电量 c cd cb 17611200 11560000