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高压变频器在热风炉助燃风机上的应用

2014-04-14 10:48:50

  高压变频器在热风炉助燃风机上的应用
  The Application of High Voltage Inverter on a Hot Stove Combustion Fan

  山东新风光电子科技发展有限公司  陈续强 周玉兰 侯荣芳 李金平
  吉林建龙钢铁有限责任公司  王  岩
  Chen Xuqiang  Zhou Yulan  Hou Rongfang  Li Jinping  Wang Yan

  摘  要:为解决建龙集团炼铁厂热风炉助燃风机工频运行时浪费严重这一问题,采用高压变频器对热风炉助燃风机进行改造。运行数据表明,热风炉助燃风机变频改造具有较高的经济效益和社会效益。
  关键词:热风炉 助燃风机 高压变频器 节能
  Abstract: In order to solve Jianlong Group ironworks hot stove combustion blower frequency operation, serious waste problem, high voltage inverter to transform the hot stove combustion blower. The running datas indicate that the hot air furnace combustion air blower frequency transformation of high economic and social benefits.
  Key words: Hot stove   Combustion fan  High voltage inverter  Energy
  1引言
  变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果,改善设备的运行工况,提高系统的安全可靠性,延长设备使用寿命等优点,成为现代电力传动技术的一个发展方向。而通过调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象的方法,不仅控制精度受到限制,而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。随着当今社会市场竞争不断加剧,采用变频调速技术对这类负载进行改造,成为社会的潮流。
  2 改造现场设备
  吉林建龙集团炼铁厂1#、2#高炉分别有2个助燃风机,风机型号为:SFG17.5F-C5A,配备电机YKK500-4,800kW/10kV。风机改造前使用高压柜直接启动,电机采用工频运行,通过调节风机进风阀开度和放散阀开度满足工艺要求,风机进风阀开度在40%~60%,电机电流28~36A,大量的能量都被消耗在风门挡板上了,风机运行噪声大,电机低负载率,功率因数低。助燃风机送风压力不稳,影响了热风炉正常烧炉送风。因此助燃风机的改造势在必行。2012年技改项目中,热风炉助燃风机应用变频调速技术进行改造,取得了明显效果。
  1#、2#高炉助燃风机型号相同,其设备参数如表1所示。

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  3助燃风机变频节能原理
  炼铁厂高炉助燃风机的作用是抽取大气中的空气,引入热风炉中为其助燃烧炉,是保证高炉正常生产的重要设备。助燃风机通常情况下根据生产需要对风量、空气温度、热风放散量等指标进行控制调节以适应工艺要求和运行工况。常用的控制手段是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样,不论生产的需求大小,风机都全速运转,而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失和热风放散损失掉了。在生产过程中,不仅控制精度受到限制,而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用居高不下。
  变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60f(1-s)/p,(式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数);变频器通过改变电动机工作电源频率f达到改变电机转速的目的。
  异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点,目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式,在很多领域都获得了广泛的应用。
  根据流体力学相似定律: Q1/Q2=n1/n2 输出风量Q与转速n成正比;
  H1/H2=(n1/n2)2 输出压力H与转速n2正比;
  P1/P2=(n1/n2)3输出轴功率P与转速n3正比。
  当风机风量需要改变时,如调节风门的开度,则会使大量电能白白消耗在挡板上。如采用变频调速调节风量,可使轴功率随风量的减小大幅度下降。可见,通过变频对风机进行控制,不但节能而且大大提高了设备运行性能。以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。
  4风光JD-BP38系列高压变频器技术特点
  风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心,采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术,属高-高电压源型变频器,其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准,输入功率因数高,输出波形质量好,不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器;不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,可以使用普通的异步电机。风光高压变频器被评为中国名牌产品。具体来说,风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外,还具有以下突出特点:
  (1)采用高速DSP作为中央处理器,运算速度更快,控制更精准。
  (2)飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
  (3)完整的工频/变频自动互切技术。现在的高压变频调速系统一般设置工频旁路切换柜,变频器发生故障时能使高压电机转至工频运行,旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式,手动旁路需人工操作,适应于无备用装置或不重要的运行工况,自动旁路可在变频器发生故障后直接自动转换至工频运行。新风光公司提供的自动旁路切换柜,不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态,还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频运行的功能,整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。
  (4)旋转中再启动功能。运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复,高压变频器不停机,高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
  (5)线电压自动均衡技术(星点漂移技术)。变频器某相有单元故障后,为了使线电压平衡,传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压,而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角,在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
  (6)单元直流电压检测:实时显示检测系统的直流电压,从而实现输出电压的优化控制,降低谐波含量,保证输出电压的精度,提升系统控制性能,并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。
  (7)单元内电解电容因采取了公司专利技术,可以将其使用寿命提高1倍。
  (8)散热结构设计合理,单元串联多重化并联结构,IGBT承受的电压较低,可以有较宽的过压范围(≥1.15Ue),设备可靠性更高。
  (9)具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路,此时如果变频器不具备相间短路保护功能,将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出,保护设备不受损害,避免事故的发生。
  (10)限流功能:当变频器输出电流超过设定值,变频器将自动限制电流输出,避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护,最大限度减少停机次数。
  (11)故障自复位功能:当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时,可自动复位,继续运行。
  5改造方案
  热风炉助燃风机目前的控制方式主要根据热风炉助燃风量的需求,通过高压变频器实时调整风机电机频率来实现调节风机运行工况。采用变频器后保持进风阀全开,根据生产需要人工操作调节风机转速。系统可随时随意改变送风量以适应变化,保持风机的正常经济运行。
  通过目前已有的DCS系统调节变频器频率转速来调节助燃风机风量。利用DCS对变频器进行启动、停机、调速等控制,并可在DCS上显示变频器的运行数据和当前状态,实时监控系统运行。操作方面,有远程控制和本地控制两种控制的方式,这两种控制方式可提高系统的安全性能。变频器包括一台内置的PLC,用于柜体内开关信号的逻辑处理,以及与现场各种操作信号和状态信号(如RS485)的协调,并且可以根据用户的需要扩展控制开关量,增强了系统的灵活性。利用高压变频器根据实际需要对助燃风机进行变频运行,既保证和改善了工艺,又达到节能降耗的目的和效果。
  此外,为了保证系统的可靠性,助燃风机引风机现有的控制设备和运行方式仍将保留,控制回路上设计工频/变频运行切换选择,工/变频选择由人工切换操作,实现助燃风机在工频或变频运行。
  6变频改造主回路
  炼铁厂1#、2#高炉热风炉4台助燃风机选用风光JD-BP38-800F高压变频器2台,变频器配置手动旁路柜,用于变频/工频切换。采用“一拖二”变频控制。
  1#高炉热风炉助燃风机2台,采用一用一备。变频改造采用2台助燃风机共用一套高压变频器,2#高炉热风炉2台助燃风机共用一套高压变频器。以1#高炉2台助燃风机为例说明控制过程。其一次系统接线图路如图1所示,通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的风机上去。如图所示高压变频器可以拖动1#风机电动机实现变频运行,也可以通过切换拖动2#风机电动机实现变频运行。1#、2#风机电动机均具备工频旁路功能。

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  QF1和QF2分别为1#和2#助燃风机电源高压断路器;
  QS11和QS21分别为1#、2#助燃风机电源高压隔离开关;
  QS12、QS22、QS13、QS23为变频器旁路开关柜高压隔离开关;
  变频器为风光JD-BP38-800F高压变频器。
  高压变频器控制电机为一拖二控制,旁路开关柜用于工/变频切换。QS11和QS21为2个高压隔离开关,变频器运行时,要求QS11或QS21闭合。QS11、QS12闭合,QS21、QS22断开,QS13断开,1#风机变频运行;QS12断开,QS13闭合1#风机工频运行;QS21、QS22闭合,QS11、QS12断开,QS23断开,2#风机变频运行;QS22断开,QS23闭合,2#风机工频运行;其中,QS12与QS13、QS22电气互锁,QS22与QS23、QS12电气互锁;QS11、QS21电气互锁;将控制柜“远控/本控”开关打至“远控”位置,将相应风机断路器“就地/远方”开关打至“远方”位置,可实现风机的远控操作。
  7改造节能效果
  热风炉助燃风机变频改造后,两套高压变频器2012年11月份一次性投入生产,至今运行正常。经过厂节能服务中心测试,系统达到了预期的效果。风机设备实现了软起动,电机电流有明显下降,降低了风机运行噪声,改善了设备的运行工况。
  1#高炉助燃风机供3台热风炉送风,采用一用一备。2#高炉状况与1#高炉相同。根据高炉工艺要求,3座热风炉采用两烧一送,约2小时换炉一次,风门开度60%,换炉操作时间约10min,双烧时间约占80%,单烧时间约占20%,工频双烧时,电机电流36A,风机消耗功率为511kW;单烧时,电机电流28A,风机消耗功率为392kW,大量剩余空气排空,浪费严重。
  工频每小时消耗功率为:
  P工=80%×511kW+20%×392kW=408.8 kW +78.4 kW =487.2kW。
  改造后,两座热风炉同时烧炉时与单座热风炉烧炉时,助燃风机运行数据记录如表2所示。

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  变频每小时消耗功率为:
  P变=80%×358.9kW+20%×270.8kW=287.12+54.16=341.28kW。
  每天运行24h,全年运行350d,每度电按0.5元计算,1#高炉助燃风机全年节电费用计算如下:
  (487.2kW-341.28kW)×24h×350d×0.5元/kW·h=612864元。
  2#高炉与1#高炉运行工况基本相同,2#高炉助燃风机节能效果与1#高炉助燃风机节能效果相当,这样一年两台风机共节约120余万元,节电效果还是非常明显的。
  8结束语
  经过国内变频器厂家的不断努力,国内变频器产品以其性能良好,性价比高,良好的本地化服务,广泛应用于各行各业,并且综合效益显著,能短期内为用户收回投资。随着国家对节能减排工作力度空前加大,变频调速技术发展前景十分广阔,已迎来历史黄金发展时期。

 

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