高壓大功率變頻器在燒結(jié)主風(fēng)機上的應(yīng)用分析

劉忠明

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

0 引言

燒結(jié)廠中最關(guān)鍵的負載是燒結(jié)主抽風(fēng)機。大型燒結(jié)機主抽風(fēng)機多數(shù)選用西門子公司的高壓無刷同步電機作為動力。如何實現(xiàn)燒結(jié)礦的生產(chǎn)工作，主要是將燃料、助焊劑及含鐵原料等按照一定比例進行混合攪拌，再施水潤濕后，置于燒結(jié)機上，自上而下點火燒結(jié)。主抽風(fēng)機最大功能就是利用煙道實現(xiàn)抽風(fēng)，然后使得混合料中的固體燃料達到充分、完全地燃燒，最后達到燒結(jié)目的，燒結(jié)過程中產(chǎn)生的廢氣利用脫硫塔及煙道等由煙囪排放（圖1）。燒結(jié)過程中，主抽風(fēng)機風(fēng)量和風(fēng)壓的變化對其影響較大，因此，精確控制燒結(jié)過程的風(fēng)量和風(fēng)壓，不但有利于燒結(jié)過程的穩(wěn)定性，而且還有效降低燒結(jié)能耗。

圖1 燒結(jié)主抽風(fēng)機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 京唐燒結(jié)主抽風(fēng)機運行分析

1.1 風(fēng)機、電機配置及控制原理

首鋼京唐燒結(jié)廠現(xiàn)有4臺主抽風(fēng)機，每臺風(fēng)機配套9375 kW高壓同步電機，總?cè)萘?7 500 kW。主抽風(fēng)機電機為無刷同步電機，采用2拖4的變頻軟起動。電機、勵磁、變頻軟啟動系統(tǒng)均為西門子公司配套產(chǎn)品，勵磁與變頻軟啟動之間控制通過Profibus通訊實現(xiàn)。如果要啟動1#主抽風(fēng)機，需在1#勵磁控制柜上首先選擇1#或2#變頻；再在勵磁控制柜上點啟動，勵磁系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、相關(guān)開關(guān)柜自動按程序動作，待變頻系統(tǒng)判斷輸出頻率與工頻頻率一致時，則進行變頻切工頻，實現(xiàn)一鍵軟啟動完成。勵磁采用恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)方式，勵磁電流大小通過勵磁柜內(nèi)部PID（Proportional-Integral-Derivative，比例-積分-微分）調(diào)節(jié)實現(xiàn)。風(fēng)機變頻軟啟動之后切換至旁路工頻運行，主抽風(fēng)量靠風(fēng)機風(fēng)門調(diào)節(jié)。

1.2 燒結(jié)主抽風(fēng)機運行情況

燒結(jié)主抽風(fēng)機實際運行時入口導(dǎo)葉開度基本上在30豫～70豫，大部分時間在40%～70豫，平均開度55豫，運行功率7000 kW左右。實際運行中，入口導(dǎo)葉開度最大70%，運行最大功率的電機輸入功率8300 kW，電流約560 A。

在燒結(jié)過程中，原料和工況的變化較為常見。為了實現(xiàn)燒結(jié)過程中風(fēng)量的變化，多數(shù)采用改變主抽風(fēng)機的風(fēng)門開度來實現(xiàn)，但這種調(diào)節(jié)方式有缺點：淤要想達到速度的精確控制，不能根據(jù)燒結(jié)料層的厚度和料層透氣性來改變變頻無極調(diào)速，也不能使風(fēng)扇達到運行效果；于主抽風(fēng)機的門開度一般控制在30%～70%（甚至低于30%），過程中一旦發(fā)生擋板截流，很可能造成不必要的浪費和電能損失；盂多數(shù)為低負荷運行工況，設(shè)備負荷得不到有效利用，風(fēng)機效率低下；榆自動化程度低，對風(fēng)量的控制精度達不到使用要求；虞變頻調(diào)速是目前國際上公認的風(fēng)機運行特性最有效的控制手段，該控制方法具有效率高、精度高、節(jié)能等特點。

因此，采用變頻調(diào)速對燒結(jié)主抽風(fēng)機進行改造，是目前最好的節(jié)能方式。

2 京唐燒結(jié)主抽風(fēng)機變頻運行分析

2.1 變頻節(jié)能原理

從流體力學(xué)的觀點來看，三相異步電機不但可以推動水泵負載，而且也可以推動二次方轉(zhuǎn)矩的風(fēng)機。其中流量Q、壓力H和電機軸功率P存在P菸Q伊H的關(guān)系。

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速從n1轉(zhuǎn)變?yōu)閚2時，其中P，Q，H以及n之間關(guān)系如下。

從以上3個關(guān)系式可以看出，電機Q同n是正比關(guān)系，軸功率P同所需n的三次方成正比。變頻器通常是利用風(fēng)機電機來調(diào)節(jié)頻率大小，進而達到對風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速的改變。例如，將額定流量值調(diào)節(jié)至80%，只有將電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整到額定速度的80%方可實現(xiàn)，即頻率調(diào)整到40 Hz。此外，功率只有之前的51.2%。考慮到減速后的效率會降低和調(diào)速裝置的附加損耗，分析數(shù)據(jù)得出，風(fēng)機可利用速度調(diào)節(jié)達到節(jié)能20%～50%的效果，部分風(fēng)機負載可節(jié)省60%以上能量。

2.2 風(fēng)機變頻節(jié)能分析

式中P2——代表變換后單負載的變頻運行功率；

Q——代表單個負載的運行流量，m3/h；

H——代表單個負載的運行壓力，Pa

濁2——代表風(fēng)機效率，變換后取效率最大峰值，范圍一般在 0.83～0.86

濁——代表變頻裝置效率，通常為0.96從以上公式可以看出，變頻調(diào)速節(jié)能點主要有2個：淤采用變頻調(diào)速裝置，入口風(fēng)門全開，從而減少管網(wǎng)阻力和摩擦，降低管網(wǎng)功耗，從流體力學(xué)變頻原理分析出發(fā)減少的風(fēng)機軸功率；于提高風(fēng)機的效率，從而減少了輸入功率和軸功率

2.3 主抽風(fēng)機同步電機變頻調(diào)速優(yōu)點

2.3.1 解決大型同步電機啟動問題

大功率同步電機存在啟動困難、控制復(fù)雜、沖擊電流大，容易振蕩與失步等難題，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，采用先投勵磁，在同步機內(nèi)建立磁場，變頻再輸出一定的直流電壓，定子產(chǎn)生一定的直流電流，并建立磁場。定轉(zhuǎn)子在相互電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子磁極向定子磁機的異性短靠近，最后輸出低頻交流電壓，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，經(jīng)過整步，轉(zhuǎn)子很快跟隨定子電壓頻率開始旋轉(zhuǎn)。這種通過變頻電源頻率的平滑調(diào)節(jié)，使電機轉(zhuǎn)速逐漸上升，實現(xiàn)真正意義上的軟起動。整個啟動控制過程無沖擊，操作簡便。

2.3.2 解決振蕩和失步問題

采用先進的自適應(yīng)控制技術(shù)，有效、精準地控制輸出速度，不需要調(diào)整勵磁柜的勵磁電流。隨著頻率的變化，速度也隨之發(fā)生改變，不僅解決振蕩和失步問題，而且還使控制模式更加便捷可靠。

3 京唐燒結(jié)主抽風(fēng)機變頻運行實現(xiàn)

人們曾經(jīng)認為，燒結(jié)廠主抽風(fēng)機功率很大，徹底改造的難度很大、花費時間長，而且風(fēng)險高，還有可能造成改造機罷工停機的狀態(tài)，從而導(dǎo)致燒結(jié)機停產(chǎn)。從太鋼煉鐵廠450 m2燒結(jié)機主抽風(fēng)機變頻改造來看，通過精心組織、周密計劃，盡量減少控制改動，始終貫徹執(zhí)行安全性、可靠性、既要經(jīng)濟性又要優(yōu)質(zhì)質(zhì)量的方針原則，細致分析配電系統(tǒng)的設(shè)計、一次回路的選擇等通風(fēng)散熱解決對策，可以在改造過程中保證原系統(tǒng)穩(wěn)定運行，在最短的時間內(nèi)完成燒結(jié)主抽變頻運行整體改造。

3.1 電氣回路改造

1#和2#主抽2臺主抽風(fēng)機變頻改造電氣回路構(gòu)成：不僅包括2臺高壓大功率變頻器、高壓開關(guān)柜數(shù)量9臺，而且還包括1#和2#燒結(jié)主抽風(fēng)機控制系統(tǒng)、1套高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)，此外還有勵磁柜數(shù)量2個、低壓配電柜數(shù)量4臺以及“空水冷”散熱裝置。

該方案所選用的模式為“自動二拖二”，能達到任意一臺變頻器對任意一臺電機進行調(diào)速，達到“軟啟動”效果。任何電機都可以從工頻運行切換到任意變頻器運行，實現(xiàn)變頻操作的過程，任意一臺變頻器可以實現(xiàn)驅(qū)動任意一臺電機去完成變頻器切換到不同母線下的工頻操作。這2個變頻器互為備用，永遠保持著變頻器冗余備份，保證出現(xiàn)異常時機器仍可以正常運行。

3.2 上位DCS和MCC改造

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文Distributed Control System的縮寫，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)，MCC則是電機控制中心Motor Control Center的縮寫。預(yù)計通過4層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)變頻系統(tǒng)的控制，并通過第一層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與整個燒結(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，進行數(shù)據(jù)交換，具體設(shè)置如下。

（1）第一層網(wǎng)絡(luò)。使用原有的燒結(jié)系統(tǒng)去控制網(wǎng)絡(luò)，一定要按照燒結(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所規(guī)定的固定網(wǎng)址去操作執(zhí)行，最大限度的發(fā)揮 AC01/AC02機柜 CPU315—2DP獨立 Profibus DP模塊CP32—5來完成。在此基礎(chǔ)上進行了控制系統(tǒng)的硬件改造，用過去的獨立CPU（Central Processing Unit，中央處理器）被ET200M所取代，成為AC01/AC02的遠程變電站。由于AC01/AC02與中央控制系統(tǒng)之間的布線距離應(yīng)控制在200 m以內(nèi)，因此，采用Profibus DP 1.5 M/S來實現(xiàn)通信。

（2）第二層網(wǎng)絡(luò)。三組 PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）與1臺計算機、3臺觸摸屏進行數(shù)據(jù)交換。CPU（Central Processing Unit，中央處理器）連接到網(wǎng)絡(luò)主要利用3個CP342—5 Profibus-DP模塊來完成。其功能進行觸摸屏與PLC之間的數(shù)據(jù)連接。

（3）第三層網(wǎng)絡(luò)。通過MPI（Multi Point Interface，信息傳遞接口）傳輸全局變量，實現(xiàn)3套PLC之間的數(shù)據(jù)交換。

（4）第四層網(wǎng)絡(luò)。利用擴充導(dǎo)軌的辦法只能夠?qū)崿F(xiàn)近距離的擴充3個導(dǎo)軌，所以第四層網(wǎng)絡(luò)是通過從站方式構(gòu)建的。

AC01與1個80 m遠的遠程從站ET200M、1個就地從站ET200M以及采集高壓工頻柜的保護裝置UMG511共同作用才能完成數(shù)據(jù)交換，進入邏輯控制。

AC02和遠程從站從ET200站，遠程80 m從站ET200M和保護高壓工頻柜實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，進入邏輯控制。

AC03完成與本地從站ET200M和150 m遠程從站ET200M（水泵房）的數(shù)據(jù)交換。

以上網(wǎng)絡(luò)都可以利用DP實現(xiàn)通信連接。通過增加ET200M的優(yōu)點，不僅實現(xiàn)了增強從站的可擴充性，而且增強了遠程擴展。

4 主抽風(fēng)機預(yù)期改造效果

變頻成功改造后，可實現(xiàn)主抽風(fēng)機匹配電機的無級調(diào)速，使風(fēng)量穩(wěn)定，可以讓操作人員達到精確控制的目的，提高燒結(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，提高燒結(jié)效率。此外，通過不斷優(yōu)化調(diào)整風(fēng)量、風(fēng)壓、溫度等燒結(jié)參數(shù)，有助于提升燒結(jié)礦質(zhì)量。

5 結(jié)束語

燒結(jié)主抽風(fēng)機采用變頻改造后，一方面改善了電機的啟動性能，實現(xiàn)軟啟、停功能，延長電機的壽命，而且減小對電網(wǎng)的沖擊；另一方面，主抽風(fēng)機可根據(jù)材料層的厚度和燒結(jié)材料層的透氣性來調(diào)節(jié)變頻速度，使風(fēng)機運行達到最佳工況點，運行節(jié)電率可達20%以上。特別是在減產(chǎn)運行等的情況下，可調(diào)速至最小功率，更加體現(xiàn)系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

近年來，節(jié)能已成為鋼鐵冶金企業(yè)發(fā)展過程中重點關(guān)注的課題。在京唐公司的大型燒結(jié)機主抽風(fēng)機系統(tǒng)中，選用同步電機配套高壓變頻控制技術(shù)，不但節(jié)約用電、操作成本低、系統(tǒng)安全可靠，同時具有易于保養(yǎng)維護的優(yōu)勢。采用這種技術(shù)，國內(nèi)類似技術(shù)企業(yè)都可以達到節(jié)省約20%的電力。