二次除尘风机节能降耗及变频改造方案

易 晟

（湖南华菱湘潭钢铁集团有限公司，湖南 湘潭411101）

转炉二次除尘风机原设计系统为1台风机机组、液力耦合器、除尘电机组成的一套调速的系统。其设计风量为110万m3，通过液力耦合器调节开度来实现对除尘风机的升降速。电机电压为10 kV，额定电流为218 A，最大转速为960 r/min。通过跟踪分析发现二次除尘风机一直为全压启动，其启动电流很大一般为额定电流的4~7倍，这样就造成瞬间系统电压下降，影响了其它用电设备的正常运行；瞬间很大的启动电流形成了很强的磁场，影响了高压线路上高压设备的热稳定性和动稳定性，严重影响了高压线路上高压设备的机械与电气寿命。同时由于是液力耦合器调速系统，其调速的调节精度差，调速范围窄不具备经常升降速能力，所以风机一直处于额定转速高速运行状态，故造成电能的很大一部分浪费，不利于除尘风机的节能降耗。因此，决定二次除尘风机的液力耦合器调速系统，改造为变频器调速系统，并结合转炉的生产工艺流程，优化技术改造方案，合理解决了上述的诸多问题，节能效果显著。

1 二次除尘风机变频改造方案

1.1 改造方案

由于改造不是一步到位，所以对风机节能改造分为三个阶段逐步进行改造，达到对风机的节能最大化。

1.1.1 第一阶段改造

主要是对风机的转速进行了调整，根据炉座的生产情况来调节风机的转速。2个炉子全都生产的时候，风机高速800 r/min运行，一座转炉生产时中速750 r/min运行，2座转炉均短时间不生产时低速550 r/min运行，当超过4 h不生产时，风机停机。通过这一阶段的改造二次的日均电耗由原来的6.7万kWh下降到4.9万kWh，节能效果还是比较的显著，但是其日均电耗还是有5万kWh比较高，仍有很大的节能空间。

1.1.2 第二阶段改造

为了再进一步降低电耗，车间决定对两座转炉炉口各增加2个风门除尘阀来控制除尘风量，减少风机的风量损失来达到节能效果。其主要措施为在1座转炉不生产时，将其对应的阀门关闭，减少风量损失，用最合理的转速得到最高的除尘效果。通过这一轮的改造使二次除尘风机得到进一步的优化，电耗也进一步的下降现基本保持在4.2万kWh左右。这一阶段的改造虽电耗再次下降，但其日均能耗还是没有达到节能的最大化。且全压启动运行和耦合器调速对风机的能耗和设备本身的损耗还是很大的，主要原因为：全压启动方式对电机的冲击负荷影响加大，影响电机的稳定运行；液力耦合器调速本身存在一定的能耗损失，且对转速的精度定位不准，不能有效地达到节能降耗的要求；全压启动运行现场噪音较大不利于设备点检维护。

1.1.3 第三阶段改造

由于2座转炉在生产过程中因工艺流程和生产时间的变化所产生的烟尘量也存在很大的变化，故要求除尘风机变频调速系统能按照不同生产阶段，自动改变风机频率，从而控制风机转速的高低。

三相异步电动机的转速：

式中：f为供电电源频率；P为三相异步电动机的磁极对数；S是电动机的转差率。

电动机P、S是一定的，改变f，就可以改变风机的转速。通过理论分析，再配合转炉生产工艺过程，可以最终确定变频调速系统与生产工艺的最优化的设计方案，具体设计如下：

1）通过现场生产实际要求摸索出单双炉生产时所需要的风机转速（单炉生产750 r/min，双炉生产800 r/min，双炉不生产550 r/min）。

2）利用2座转炉的二次除尘吸风口风门电动阀信号，来做为除尘风机升降速的信号点，当单炉生产时，不生产炉座的风门电动阀关闭，变频器以37.5 Hz运行输出，风机转速为750 r/min运行；当双炉生产时2个炉座的风门电动阀都打开，变频器以40 Hz运行输出，风机转速为800 r/min运行；当双炉不生产时2个炉座的风门电动阀都关闭，变频器以27.5 Hz运行输出，风机转速为550 r/min运行。

综合以上分析通过自动调节变频器的频率来控制风机的转速，既能在双炉生产时，发挥出风机最大除尘效果，又能在不生产低速运行时，达到节能的目的。所以除尘风机变频改造方案，完全可以实现节能降耗目的。

1.2 变频控制系统总体设计方案

本次变频改造项目采用的是英威腾BVF5000系列高压变频调速系统。其工作原理：采用的是多单元串联脉宽调制叠波技术，通过功率单元串联，从电网的输入电压经过移相变压器，变成3×9路三相690 V的电压（每相功率单元数为9个），然后分别给每个功率单元供电。每个单元采用H桥的方式，由主控系统控制每个H桥的PWM输出；把同一相的单元输出串联起来，每相的第一个单元采用“Y”方式连接，三相最后一个单元合成高压电压输出。所以线电压=690×9×1.732=10 kV。

BVF5000系列高压变频调速系统主要由旁路柜、变压器柜、功率单元柜、控制柜组成。

1.2.1 旁路柜

旁路柜的作用是在变频调速系统发生故障时，可将电机投入到工频电网运行，以保证生产的连续性，提高系统的可靠性。

工作原理：正常运行时QS1、QS2闭合使用变频器运行，当变频器出现故障时断开QS1、QS2开关，闭合QS3开关，再使用远程控制QF开关闭合来启动风机运行，这样就能保证风机的运行（见图1）。

图1 电机的工作原理图

1.2.2 变压器柜

变压器柜内由移相变压器、缓冲接触器、缓冲电阻等及其他辅助原件组成（见图2）。

图2 变压器柜内部布局图

移相变压器为功率单元提供三相电源，实现高压到低压的转化，同时也实现高低压隔离作用。移相变压器采用干式结构，绝缘等级为H级，副边采用多组移相延边三角形接法为功率单元提供电源，减少了高压变频调速系统的电源网侧谐波。

1.2.3 功率单元柜

功率单元柜是系统的逆变器，是实现AC-DCAC转换的执行机构。柜内用于安装功率单元以及辅助部件（见图3）。

图3 功率单元柜内部布局图

功率单元柜来放置功率单元，功率单元三相输入通过高压电缆与移相隔离变压器副边绕组对应连接，实现移相隔离变压器对功率单元的供电。功率单元在柜中摆成上下三行，每一行单元串联为一相，形成A/B/C三相。靠近控制柜端的最后一个功率单元三相进行“Y”连接。靠近变压器柜端的第一个功率单元为高压变频调速系统输出端，通过高压电缆与变压器柜输出端子铜排连接。功率单元通过光纤与主控系统连接，实现主控系统对功率单元的控制以及保护。

功率单元电路主要由主回路和控制回路组成。主回路包括保护、整流、滤波、逆变以及旁路组成（见图4）。

图4 功率单元原理图

输入电源端R/S/T接变压器二次线圈的三相低压输出，经过三相全桥整流后给直流母线充电，然后通过H桥逆变成交流输出。功率单元单相输出端为：ACI/ACO。

单元控制回路通过接收来自主控系统的信号来控制整个单元的工作，同时功率单元也将自身的电压、故障信息、状态信息等信息通过光纤传输回主控系统，实现对功率单元的监控。

功率单元具有单元旁路功能，我们采用的是接触器旁路。当某个单元发生故障时，功率单元可以实现自动旁路，保证变频调速系统继续正常工作。

1.2.4 控制柜

控制柜是整个变频调速系统的大脑。是实现系统的指挥、控制功能和自身保护功能。柜内用于安装主控系统以及二次控制回路系统、UPS电源等部件（见图5）。

图5 控制柜内部布局图

BVF5000系列变频调速系统采用独立的控制柜，与变压器柜，功率单元柜高压部分采用光纤或隔离变压器以及专用的控制接地隔离开来。

控制系统可以由三路电源供电：主电源供电、备用电源供电和UPS供电。当主用电源无效时，系统自动切换到备用电源，当主备用电源无效时，系统由UPS供电。某一路电源故障时，系统会告警。这样保证系统可以用于最恶劣的电源环境。

同时控制系统有过压、欠压、过载、过流、缺相、过温、超速等保护功能。还有运行参数的实时监控功能、运行数据实时记录功能、告警及故障保护功能、故障查询功能、波形显示功能。完善的保护功能设计，不仅保证了二次除尘风机变频调速系统的正常运行。还方便运行人员和维修人员辨别故障，节省了维修时间，提高了工作效率。

2 变频系统改造的优点

2.1 变频系统改造的优点[3]

1）在变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。

2）有效地改善了现场运行环境，由于电机以及负载转速下降，大大降低了设备噪声污染。

3）功率因数提高到0.95以上，减少了线路损耗。

4）减少了维护工作量和维护费用，延长了设备的使用寿命。采用变频技术调速后，设备随生产工艺变速运行，大大降低了设备负荷率，延长了风机、电机等设备的使用寿命。

5）变频器具有多项保护功能，十分完善。与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升保护等多项保护功能，更精确地保护了电机。

6）调速范围宽，调速精度高。与过去液力偶合器调速相比较，采用变频拖动风机可以在0～50 Hz范围内任意调节，调节精度高，调节频率波动可保持在0.1～0.01 Hz范围内，便于实现风机系统自动化控制。

2.2 改造前后的经济运行分析

改造前，二次除尘风机全压起动高速运行状态下，每天的电耗约为6.7万kWh。

改造后，改造的三个阶段，第一阶段日均电耗下降到4.9万kWh，第二阶段日均电耗下降到4.2万kWh，第三阶段变频改造完成后日均电耗下降到3.2万kWh。

通过改造前后的对比日均电耗节约了6.7-3.2=3.5万kWh。

其创造的效益(以年效益计算)=3.5×0.6×365=766.5万元（工业用电按0.6元/kWh算）

3 结语

二次除尘风机通过本次节能降耗变频改造后节能效果显著，风机的设备综合运行效率大大提高，对转炉的除尘环保起到重要的作用。