1 引言

河北興華鋼鐵有限公司煉鋼廠有一座600噸混鐵爐，混鐵爐擔(dān)負(fù)著煉鋼廠2座轉(zhuǎn)爐的提供鐵水任務(wù)，高爐鐵水注入鐵水罐，經(jīng)鐵路運(yùn)輸至混鐵爐區(qū)域。兌鐵時(shí)天車吊起鐵水罐兌入混鐵爐，鐵水在混鐵爐內(nèi)保溫，在轉(zhuǎn)爐需要鐵水時(shí)傾動(dòng)混鐵爐，將鐵水注入鐵水包中，供給轉(zhuǎn)爐?；扈F爐的煙塵嚴(yán)重污染環(huán)境。而混鐵爐的頂兌鐵給混鐵爐的兌鐵除塵煙罩安裝帶來一定的困難。即使勉強(qiáng)安裝其除塵效果也不理想。而且鐵水由鐵水罐兌入混鐵爐的同時(shí)，漂浮在鐵水表面鐵渣也一同倒入混鐵爐內(nèi)，使得混鐵爐內(nèi)鐵水液面位置爐襯耐火材料腐蝕嚴(yán)重，降低了爐襯的使用壽命。所以生產(chǎn)中要求控制鐵水的含渣量。

混鐵爐系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)高爐連續(xù)生產(chǎn)和轉(zhuǎn)爐斷續(xù)生產(chǎn)的節(jié)奏，是調(diào)節(jié)高爐煉鐵和轉(zhuǎn)爐煉鋼的緩沖帶。混鐵爐設(shè)有一個(gè)兌鐵口和一個(gè)出鐵口，混鐵爐兌鐵或出鐵時(shí)，高溫的鐵水會(huì)同空氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的煙氣。為改善現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，降低污染，節(jié)約除塵成本，需要對(duì)混鐵爐的兌鐵、出鐵進(jìn)行除塵。該除塵設(shè)施配置Y4-73NO.235D除塵風(fēng)機(jī)一臺(tái)（配套電機(jī)功率800kW），混鐵爐除塵風(fēng)機(jī)在生產(chǎn)過程中需要不同風(fēng)量來適應(yīng)混鐵爐兌出鐵工藝要求，為降低除塵成本，需對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。河北興華鋼鐵煉鋼廠領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過對(duì)比，通過招標(biāo)方式選購了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38型高壓變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制?；扈F爐除塵風(fēng)機(jī)高壓變頻器于2014年4月份調(diào)試完畢投入運(yùn)行，至今已穩(wěn)定運(yùn)行一年多。
2混鐵爐生產(chǎn)概述

混鐵爐采用側(cè)面兌鐵技術(shù)，兌鐵時(shí)混鐵爐在“0”位。在混鐵爐出鐵口下設(shè)置鐵水罐車軌道一條，并設(shè)軌道衡稱量出爐鐵水重量。由于考慮到混鐵爐檢修或故障，以及混鐵爐本身的容量不足，部分高爐鐵水罐將直接從高爐鐵水罐翻入轉(zhuǎn)爐鐵水罐。
(1)兌鐵操作：當(dāng)高爐鐵水罐車被火車運(yùn)到混鐵爐區(qū)域以后，由混鐵爐區(qū)域行車吊將鐵水罐吊到混鐵爐一側(cè)準(zhǔn)備兌鐵。此時(shí)，兌鐵操作工通過兌鐵操作臺(tái)操作兌鐵門開蓋卷揚(yáng)機(jī)正向運(yùn)行，將兌鐵門打開，再操作在待機(jī)位的兌鐵小車正向運(yùn)行至混鐵爐的兌鐵門處，將兌鐵槽口插入兌鐵門，同時(shí)兌鐵側(cè)的兩個(gè)除塵閥門打開。行車吊在兌鐵小車就位以后就通過兌鐵槽將鐵水兌入混鐵爐。兌鐵結(jié)束后，行車吊將空罐吊回，兌鐵操作工操作兌鐵小車反向運(yùn)行移至待機(jī)位，再操作兌鐵門開蓋卷揚(yáng)機(jī)反向運(yùn)行，關(guān)閉兌鐵門，同時(shí)兌鐵側(cè)兩個(gè)除塵閥門關(guān)閉。整個(gè)兌鐵過程結(jié)束。
(2)出鐵操作：當(dāng)轉(zhuǎn)爐需要鐵水時(shí)，混鐵爐鐵水罐車操作工操作鐵水罐車運(yùn)行到混鐵爐下的出鐵軌道衡上，同時(shí)出鐵側(cè)的除塵閥門打開，混鐵爐操作工通過出鐵操作臺(tái)將混鐵爐傾動(dòng)到出鐵位，把爐內(nèi)鐵水倒入鐵水罐車上的轉(zhuǎn)爐鐵水罐中，同時(shí)軌道衡的大屏幕上顯示鐵水罐車內(nèi)的鐵水重量，在達(dá)到重量預(yù)定值時(shí)，出鐵操作工把混鐵爐搖回”0”位。混鐵爐鐵水罐車操作工操作轉(zhuǎn)爐鐵水罐車運(yùn)行到吊罐位，由行車吊將轉(zhuǎn)爐鐵水罐吊至脫硫站鐵水罐車上脫硫或直接兌入轉(zhuǎn)爐吹煉，出鐵側(cè)除塵閥門關(guān)閉。整個(gè)出鐵過程結(jié)束。
(3)除塵風(fēng)機(jī)工藝要求：

河北興華鋼鐵煉鋼廠混鐵爐，當(dāng)混鐵爐既不兌鐵也不出鐵時(shí)不需要風(fēng)量，維持風(fēng)機(jī)低轉(zhuǎn)速；當(dāng)混鐵爐工作時(shí)，一個(gè)兌鐵口兌鐵需要風(fēng)量43萬m³/h；一個(gè)出鐵口出鐵需要風(fēng)量28萬m³/h。
兌鐵：由一臺(tái)100t天車完成，每罐兌鐵時(shí)間為4-6min。
出鐵：混鐵爐出鐵30罐/班，每天三班，每班八小時(shí)，單罐出鐵時(shí)間2-3min，傾倒鐵水時(shí)間周期約為12 min。
4 改造項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)
4.1現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)如下表1所示。電機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

 
圖1 除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)

4.2 JD-BP38-800F 高壓變頻器技術(shù)參數(shù)

選用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-800F 高壓變頻器(800kW/10kV）對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如下表2所示。

5風(fēng)光公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)光牌JD-BP37/38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。
(2)飛車啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。
(3)完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程不會(huì)對(duì)用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。
(4)旋轉(zhuǎn)中再啟動(dòng)功能。運(yùn)行過程中高壓瞬時(shí)掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動(dòng)運(yùn)行到掉電前的頻率。
(5)線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
(6)單元直流電壓檢測(cè)：實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。
(7)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。
(8) 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu)，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue)，設(shè)備可靠性更高。
(9) 具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。
(10) 限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù)。
(11) 故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過電流保護(hù)時(shí)，可自動(dòng)復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。
6混鐵爐除塵風(fēng)機(jī)變頻控制方案

整個(gè)混鐵爐工作過程為間斷式工作方式。在兌鐵、出鐵期間，煙塵量大，除塵風(fēng)機(jī)需在高速或者中速狀態(tài)運(yùn)行；其他時(shí)間，煙塵量較小，風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量相應(yīng)降低，風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行；周而復(fù)始。通過變頻調(diào)速器對(duì)混鐵爐處于非兌鐵、出鐵期間電機(jī)自動(dòng)降速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。
通過目前已有的DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻器頻率來調(diào)節(jié)除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)量。利用DCS對(duì)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、調(diào)速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。操作方面，有遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統(tǒng)的安全性能。變頻器包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)(如RS485)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展控制開關(guān)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變速運(yùn)行，既保證和改善了工藝，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。

為了保證除塵系統(tǒng)的可靠性，變頻器裝置具有工頻旁路裝置，當(dāng)變頻器發(fā)生故障停止運(yùn)行時(shí)，電機(jī)切換到工頻下運(yùn)行，這樣可以保證生產(chǎn)除塵要求，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
7除塵風(fēng)機(jī)主回路方案

為了最大限度地提高設(shè)備的利用率，使變頻發(fā)生故障時(shí)也能保證風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，從而保證生產(chǎn)。保留原有工頻液阻啟動(dòng)系統(tǒng)，保留電機(jī)綜合保護(hù)裝置（工頻時(shí)投入）。采用一拖一手動(dòng)工/變頻切換方案。在變頻器發(fā)生故障時(shí)，能手動(dòng)切換到原來的工頻液阻啟動(dòng)方式，保證除塵風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)手動(dòng)旁路柜一次回路如圖2所示。

 
圖2  手動(dòng)旁路柜一次回路

旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時(shí)，利用液阻柜啟動(dòng)電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時(shí)，絕對(duì)不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻器輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。為了實(shí)現(xiàn)變頻器故障的保護(hù)，變頻器對(duì)用戶開關(guān)DL進(jìn)行連鎖，一旦變頻器故障，變頻器聯(lián)跳DL。工頻旁路時(shí)，變頻器應(yīng)允許DL合閘，撤消對(duì)DL的跳閘信號(hào)，使電機(jī)能正常通過DL合閘工頻啟動(dòng)。
選擇變頻系統(tǒng)時(shí)，不投入液阻柜；只有選擇工頻狀態(tài)時(shí)液阻柜啟動(dòng)才有效。
8混鐵爐除塵風(fēng)機(jī)變頻改造效果

高壓變頻器設(shè)備于2014年4月初正式投入運(yùn)行，至今運(yùn)行良好。變頻器使用方便，可靠穩(wěn)定，維護(hù)量小。除塵風(fēng)機(jī)根據(jù)生產(chǎn)工藝按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，電機(jī)運(yùn)行電流大大降低，改造達(dá)到了預(yù)期目的。
8.1節(jié)能計(jì)算
混鐵爐現(xiàn)場(chǎng)直接根據(jù)出鐵口、兌鐵口的開關(guān)狀態(tài)來控制變頻器的轉(zhuǎn)速，變頻器預(yù)設(shè)3個(gè)速度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所需風(fēng)量不同自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

 根據(jù)變頻器的運(yùn)行記錄，統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)在一天中各速度段的運(yùn)行時(shí)間，得到如下運(yùn)行數(shù)據(jù)：
各速度段變頻器的輸入功率為：
P1＝1.732×10.15×3.27×0.97=55.76kW
P2＝1.732×10.15×10.13×0.97=172.74kW
P3＝1.732×10.14×29.70×0.97=505.96kW
則使用變頻器后一天風(fēng)機(jī)所消耗的電能為：
55.76×8+172.74×5.5+505.96×10.5＝6708.73kW·h
電價(jià)按0.45元計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)按照一年運(yùn)行300天計(jì)算，則一年的電費(fèi)為：
6708.73×0.45×300＝90.5678萬元
如果不使用變頻器，電機(jī)始終工頻運(yùn)行，則一年的電費(fèi)為：
P＝1.732×10.13×49.5×0.8=694.79kW
694.79 kW×24h×300d×0.45=225.112萬元
節(jié)約電費(fèi)約為：134.5441萬元
8.2變頻改造對(duì)設(shè)備的好處
（1）在工頻狀態(tài)下，除塵風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后電動(dòng)機(jī)按額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在整個(gè)生產(chǎn)過程風(fēng)機(jī)始終處于滿負(fù)荷狀態(tài)，造成很大能源的浪費(fèi)。變頻改造后，在非兌鐵出鐵期時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在低速階段。
（2）工頻狀態(tài)下，由于風(fēng)機(jī)持續(xù)高速下運(yùn)行，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的軸振動(dòng)幅值常常高于正常的震動(dòng)幅值，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的軸瓦使用壽命縮短。不但增加了維修費(fèi)用，而且還大大增加了設(shè)備故障率。使用變頻器后可有效減少設(shè)備振動(dòng)，減少磨損，降低了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。
（3）在變頻器沒有安裝以前高壓電機(jī)采用直接啟動(dòng)，變頻改造以后，變頻器拖動(dòng)電機(jī)從0.5Hz軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流不超過額定電流，不僅讓風(fēng)機(jī)開停機(jī)極為方便；還減小了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)、風(fēng)機(jī)及整個(gè)除塵系統(tǒng)的沖擊，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
9結(jié)束語

在河北興華鋼鐵煉鋼廠領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，混鐵爐除塵設(shè)備改造達(dá)到了預(yù)期目的。除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的投入使用不僅有效地改善了混鐵爐作業(yè)時(shí)造成的揚(yáng)塵污染，給現(xiàn)場(chǎng)操作工創(chuàng)造了良好的工作條件，降低了除塵系統(tǒng)運(yùn)行的成本，而且響應(yīng)了國家節(jié)能減排及保護(hù)環(huán)境的號(hào)召。