關(guān)鍵詞：冶金、高爐鼓風機、高壓變頻器、節(jié)能改造、雙機并聯(lián)、無擾切換
摘要：本文介紹了匯川技術(shù)HD92系列大功率高性能高壓變頻器在鋼鐵行業(yè)高爐鼓風機上的成功應(yīng)用，系統(tǒng)在國內(nèi)首創(chuàng)雙機并聯(lián)方案，并且具備工變頻的無擾切換功能，能夠?qū)崿F(xiàn)單臺故障時，另一臺不停機且能夠無擾切換至工頻運行。
一、高爐工藝簡介
高爐因具有煉鐵技術(shù)經(jīng)濟指標良好，工藝簡單，生產(chǎn)量大，勞動生產(chǎn)效率高，能耗低等優(yōu)點，這種方法生產(chǎn)的鐵占世界鐵總產(chǎn)量的絕大部分。高爐為煉鐵環(huán)節(jié)中最主要的設(shè)備，它為橫斷面為圓形的煉鐵豎爐，生產(chǎn)時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部的風口吹入經(jīng)預(yù)熱的空氣。在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內(nèi)上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。鐵水從鐵口放出，生成的爐渣，從渣口排出。煤氣從爐頂排出，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等燃料。
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圖一：高爐風系統(tǒng)圖
高爐鼓風機是高爐最重要的動力設(shè)備，上圖為整個高爐的系統(tǒng)圖，從中可以看到高爐鼓風機的位置及作用，它不但直接提供高爐冶煉所需的氧氣，而且提供克服高爐料柱阻力所需的氣體動力。現(xiàn)代大、中型高爐所用的鼓風機，大多用汽輪機驅(qū)動的離心式鼓風機和軸流式鼓風機。這種鼓風機耗電雖多，但啟動方便，易于維修，投資較少。高爐冶煉要求鼓風機能供給一定量的空氣，以保證燃燒一定的碳；其所需風量的大小不僅與爐容成正比，而且與高爐強化程度有關(guān)、一般按單位爐容2.1～2.5m3/min的風量配備。但實際上不少的高爐考慮到生產(chǎn)的發(fā)展，配備的風機能力都大于這一比例。
高爐鼓風機處于整個高爐系統(tǒng)的非常重要的位置，其運行可靠性關(guān)系著整個高爐生產(chǎn)，甚至?xí)绊懓踩鹿剩话闱闆r下在高爐正常生產(chǎn)過程中如果高爐鼓風機意外停機將導(dǎo)致嚴重的安全生產(chǎn)事故，經(jīng)濟損失少則幾十萬，多則上百萬。
但高爐鼓風機為整個高爐系統(tǒng)中功率最大的負載，其耗電量巨大，而且目前很多采用水阻柜啟動加風門調(diào)節(jié)的方式啟動和調(diào)節(jié)鼓風機的出口壓力，能量浪費嚴重，變頻改造逐漸進入廠家的視野，但對變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。
二、項目概況
河北某重工企業(yè)的高爐鼓風機為大功率離心式鼓風機，采用三相異步電機驅(qū)動，工頻啟動采用水阻柜方式，由于啟動沖擊大，每次啟動風機都很困難，另外由于風壓采用風門調(diào)節(jié)的方式，正常生產(chǎn)過程中風門開度在30%到50%，能量浪費很嚴重，節(jié)能空間巨大，變頻改造成為最好的選擇，針對高爐鼓風機這種高重要型負載，我司提供了高可靠性的方案，與客戶之間實現(xiàn)了雙贏。
（1）系統(tǒng)方案說明
圖二：高壓變頻器一次圖
整個系統(tǒng)由以下設(shè)備組成：1#進線柜、1#預(yù)充柜、1#變頻器、1#電抗器柜、1#出線柜、2#進線柜、2#預(yù)充柜、2#變頻器、2#電抗器柜、2#出線柜、工頻進線柜、電機、星點柜，其中電機與星點柜為客戶原有設(shè)備，其余設(shè)備為本次變頻改造新增設(shè)備。
此系統(tǒng)在國內(nèi)首創(chuàng)了高壓變頻器雙機并聯(lián)方案，針對現(xiàn)場實際情況，我司配兩臺大容量的高壓變頻器并機構(gòu)成驅(qū)動啟動，通過同步脈沖發(fā)波技術(shù)解決同步問題，并經(jīng)過電抗器的均流處理后共同拖動6300kW電機，兩臺變頻器同時運行，當系統(tǒng)內(nèi)任何一臺變頻器出現(xiàn)故障時，另外一臺變頻器根據(jù)現(xiàn)場工藝同步切換至原有工頻系統(tǒng)運行，不影響高爐鼓風機的運轉(zhuǎn)。
由于兩臺并聯(lián)運行，當系統(tǒng)任意一臺變頻器處于突然停機狀態(tài)時，系統(tǒng)分斷相應(yīng)變頻器的進線斷路器和出線柜，工頻進線柜斷路器處于斷開狀態(tài)，只閉合正常運行變頻器對應(yīng)的進線斷路器和出線柜，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況，若滿負荷生產(chǎn)，切換時對電網(wǎng)有較小沖擊，為保證切換過程平滑無擾，切換時需要稍微關(guān)小風門擋板，當關(guān)小到一定程度后進行切換最為穩(wěn)妥，此現(xiàn)場風門沒有自動聯(lián)鎖，所以任何一臺變頻器故障時，高爐鼓風機將根據(jù)現(xiàn)場工藝調(diào)試時確定同步切換在擋板關(guān)閉到多少時同步切換可以對電網(wǎng)沒有沖擊，保證切換過程平滑無擾，當變頻器修好后，系統(tǒng)工藝允許情況下可通過同步切換技術(shù)切回至原兩臺變頻運行狀態(tài)，使系統(tǒng)繼續(xù)運行。
（2）系統(tǒng)操作說明
圖三：高爐鼓風機操作臺
整個系統(tǒng)為方便客戶操作，我方設(shè)計了系統(tǒng)的遠方操作臺，所有的操作均由遠控實現(xiàn)，遠控臺的設(shè)計過程中也盡可能遵循簡單安全操作的基本原則，對于系統(tǒng)的上電、啟動、調(diào)速、工變頻切換均只需操作一到兩個按鈕完成，對于重要的開關(guān)，設(shè)置了解鎖操作，以防誤按造成系統(tǒng)事故。
三、變頻改造優(yōu)勢
高爐鼓風機的變頻改造不同于其他風機，所以系統(tǒng)的安全可靠性為方案設(shè)計的最重要方向，裕量設(shè)計較大，所以系統(tǒng)在正常運行時1#~2#變頻器以較低電流進行輸出，即可滿足常用風機滿載運行，本系統(tǒng)方案優(yōu)勢如下：
（1）兩臺變頻器一直帶電，可減少變頻器維護，減少因長期放置而造成故障的威脅；
（2）變頻器以較低電流輸出，減少變頻器自身的損耗；
（3）系統(tǒng)擁有充足裕量，以面對突發(fā)事故，單臺變頻故障時，另外一臺可以繼續(xù)驅(qū)動電機運行，并且可以實現(xiàn)變頻與工頻之間真正的無沖擊切換，保證高爐系統(tǒng)生產(chǎn)的連續(xù)性；
（4）變頻改造的主要目的是節(jié)能，之前風門開度在30%~50%，造成了嚴重的能量浪費，本次改造節(jié)能效果明顯，總體節(jié)能效果在20%到30%之間，在非正常生產(chǎn)期間，其節(jié)電率更高；
（5）延長電機及負載的使用壽命：變頻改造真正實現(xiàn)了電機及負載的軟啟動，減少了沖擊，能夠有效延長其使用壽命，之前客戶每次啟動此電機都非常麻煩，需要停掉所有用電設(shè)備，而現(xiàn)在可以隨意進行電機的啟動，而且現(xiàn)場電機使用軸瓦，也有效的減小了啟動時對軸瓦的沖擊；
（6）使用簡單、自動化水平高、檢修方便：本系統(tǒng)配備有遠程操作臺，且操作臺的設(shè)計遵從安全簡單的原則，方便工人的操作，系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位均配備有隔離刀閘，方便將來設(shè)備的檢修；
（7）降低電機噪聲污染：變頻改造后將根據(jù)高爐實際需求風壓進行變頻調(diào)速，電機噪聲明顯降低，改善了工人的作業(yè)環(huán)境；
（8）對電網(wǎng)諧波污染小：HD92系列高壓變頻器采用單元級聯(lián)型，10kV產(chǎn)品為54脈沖整流，對電網(wǎng)諧波污染小于國家標準；
四、匯川技術(shù)HD92高壓變頻器的優(yōu)勢
匯川技術(shù)HD92系列高性能矢量型高壓變頻器采用功率單元級聯(lián)式技術(shù)路線，矢量控制高壓變頻器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA組成，指令在納秒級完成，因此控制波形和逆變波形可以實時校驗。具有國際領(lǐng)先的技術(shù)！
所有產(chǎn)品均進行滿載72小時測試，除一些保護功能外，磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)、高頻技術(shù)、快速疊頻技術(shù)、Syn-transfer技術(shù)、非對稱旁路技術(shù)、雙路控制電源、同步機變頻等功能，這些功能技術(shù)上處于國際領(lǐng)先水平。
HD92系列高壓變頻器系統(tǒng)在設(shè)計上有以下技術(shù)特點，部分技術(shù)在高壓變頻器上使用是國內(nèi)及國際領(lǐng)先。
1) 高性能的控制器使用了DSP、FPGA、ARM、PLC器件可靠，分工明確。
2) 國內(nèi)第一家設(shè)計的高頻輸出控制器，最高頻率可達330Hz,適用于高轉(zhuǎn)速類負載，省掉了負載側(cè)的增速齒輪箱，降低設(shè)備成本和維護量，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力和轉(zhuǎn)矩輸出能力。
3) 利用syn-transfer技術(shù)可以把電機從變頻運行狀態(tài)平滑無沖擊的切到工頻運行，或者把電機從工頻運行平滑無沖擊的切換到變頻運行。
4) 率先設(shè)計了內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器和模糊控制調(diào)節(jié)器,進行閉環(huán)控制，也可以使用外置調(diào)節(jié)器進行閉環(huán)控制。
5) 控制器系統(tǒng)遠程通信監(jiān)控接口為RS232/RS485，另外備有計算機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的RJ45擴展口和通信轉(zhuǎn)換模塊，可以靈活支持Modbus、Profibus、TCP/IP或IEC61850等通信協(xié)議。
6) 功率單元故障旁路后采用非對稱旁路技術(shù)，保證輸出電壓產(chǎn)生最小的電壓降。系統(tǒng)在一個功率單元旁路時，可以維持95%以上輸出電壓。
7) 獨創(chuàng)性的設(shè)計了快速疊頻技術(shù)，通過矢量算法在輸出電壓矢量上疊加可控的高頻分量，使電機產(chǎn)生更大的阻力矩，加快電機的制動，大大減少了降速時間。
8) 電網(wǎng)瞬間失電后來電可以自動再啟動。
9) 完善的功率單元保護和系統(tǒng)保護，故障診斷定位準確，歷史故障記錄和運行記錄完備。
五、現(xiàn)場應(yīng)用照片
圖四：現(xiàn)場設(shè)備運行照片
圖五：運行過程中觸摸屏照片
圖六：現(xiàn)場鼓風機監(jiān)控界面
六、結(jié)束語
冶金行業(yè)歷來屬于高耗能行業(yè)，大功率電機數(shù)量巨大，常年工頻運行導(dǎo)致能源浪費嚴重，變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著地節(jié)能效果，且能夠改善運行工藝，達到多重改造效果，經(jīng)濟效益及社會效益顯著，高爐鼓風機的變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較高的節(jié)能效果，還能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電機的啟動問題，但方案的設(shè)計上一定要遵從安全可靠的原則，匯川技術(shù)HD92系列高壓變頻器之所以能夠成功的改造此次高爐鼓風機，也是產(chǎn)品高性能、高可靠性的一個證明。
匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對冶金行業(yè)的變頻改造具有獨到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品適用于冶金、電力、化工、市政等多個應(yīng)用領(lǐng)域。
