熊季就 彭修云 吳湧濤
(方大特鋼科技股份有限公司，南昌 330012)
摘 要：文中結(jié)合方大特鋼煉鋼廠轉(zhuǎn)爐車間在 130 萬除塵器中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐爐體狀態(tài)信號及在系統(tǒng)管路閥門的聯(lián)鎖控制信號實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行現(xiàn)狀，介紹了高壓變頻器在方大特鋼煉鋼廠轉(zhuǎn)爐二次除塵風(fēng)機(jī)改造實(shí)踐中對節(jié)能增效的貢獻(xiàn)。系統(tǒng)分析了取消液力偶合器，移位重裝高壓電機(jī)、PLC程序控制變頻調(diào)速、煉鋼狀態(tài)精準(zhǔn)控制風(fēng)量等措施對企業(yè)效益的影響，研究結(jié)果表明，通過除塵風(fēng)機(jī)變頻改造可直接為轉(zhuǎn)爐車間提高直接經(jīng)濟(jì)效益 469。61 萬元/年，且提高了設(shè)備的功率因數(shù)，延長機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命，提升了系統(tǒng)的可靠性。、
關(guān)鍵詞：變頻器；轉(zhuǎn)爐二次除塵風(fēng)機(jī)；節(jié)能降耗
0 引 言
煉鋼廠的大型輔機(jī)設(shè)備除塵風(fēng)機(jī)的耗電量很大，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的今天，高能耗已經(jīng)逐漸不被人接受。因此， 在工廠中要盡力改造高耗電量設(shè)備，以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。但目前的情況是，很大一部分風(fēng)機(jī)不是在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，而是處于變工況下運(yùn)行，為滿足其要求，就需對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅可以克服執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性嚴(yán)重、反應(yīng)遲鈍等問題，還具有效率高、能耗低、調(diào)節(jié)精度好、運(yùn)行可靠和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[2,3]。通過改變設(shè)備運(yùn)行速度來調(diào)節(jié)現(xiàn)場所需風(fēng)壓、風(fēng)量的大小，同時(shí)增創(chuàng)煉鋼廠效益[4]。目前對于煉鋼廠轉(zhuǎn)爐車間中的除塵風(fēng)機(jī)設(shè)備大部分還是以前的僅利用風(fēng)門來調(diào)節(jié)，無法達(dá)到“負(fù)能煉鋼”，即轉(zhuǎn)爐煉鋼工序能耗小于零的要求[5]，因此對于除塵風(fēng)機(jī)的改造刻不容緩。
文中主要介紹了方大特鋼煉鋼廠負(fù)責(zé)三座轉(zhuǎn)爐的二次除塵及 2#LF 爐的除塵等的 130 萬除塵風(fēng)機(jī)（風(fēng)量 1 300 000 m3/h，配套高壓電機(jī)額定功率 3 150 kW/6 kV），同時(shí)這些除塵點(diǎn)除塵風(fēng)量的需求依靠風(fēng)門實(shí)現(xiàn)，風(fēng)門控制點(diǎn)達(dá)到了 13 處，控制節(jié)奏變化頻繁，因此風(fēng)機(jī)不宜恒速運(yùn)行。目前除塵風(fēng)機(jī)的變速啟動(dòng)是使用液力偶合器實(shí)現(xiàn)，而液力偶合器不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變速自動(dòng)控制，所以除塵風(fēng)機(jī)長期接近滿負(fù)荷高速運(yùn)行，導(dǎo)致 130 萬除塵風(fēng)機(jī)日耗電量平均約 68 626 kWh 詳見表 1。
1 改造原因
隨著煉鋼廠除塵系統(tǒng)的不斷完善，130 萬除塵系統(tǒng)只負(fù)責(zé)三座轉(zhuǎn)爐的二次除塵。130 萬除塵器可通過三座轉(zhuǎn)爐爐體狀態(tài)信號及系統(tǒng)管路閥門的聯(lián)鎖控制信號實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，因此，完善后的 130 萬除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)已具備變頻調(diào)速改造的條件。通過變頻改造可以取得明顯的節(jié)電效果，具體節(jié)電空間如下。
風(fēng)機(jī)使用液力偶合器調(diào)速，在額定風(fēng)量運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有 850 r/min 左右（電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 993 r/min，液力廠耦合器額定轉(zhuǎn)速 1000 r/min，風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 960 r/min），此時(shí)液力耦合器輸出與輸入轉(zhuǎn)速比為院854/993=86%，則變頻調(diào)速比液力偶合器調(diào)速效率高10%[6] 。
如表 2 所知，近三年3 座轉(zhuǎn)爐工藝檢修及設(shè)備檢修每年平均時(shí)間為 73。5 天(檢修時(shí)間包括日常的工藝檢修、設(shè)備檢修及每年的設(shè)備大修和更換爐襯停爐檢修時(shí)間)。不管是日常的工藝檢修、設(shè)備檢修還是每年的設(shè)備大修和更換爐襯停爐檢，在檢修工況時(shí)，只有兩座爐體生產(chǎn)在線，從日常的除塵效果來看，100 萬 m3 /h 除塵風(fēng)量即可滿足生產(chǎn)現(xiàn)場除塵工藝要求，因此風(fēng)機(jī)可以降速運(yùn)行。
煉鋼廠三座轉(zhuǎn)爐平均冶煉周期 34 min， 每座轉(zhuǎn)爐加廢鋼兌鐵水作業(yè)用時(shí) 6 min，此時(shí)爐前所需除塵風(fēng)量最大為 130 萬 m3/h。按三座轉(zhuǎn)爐連續(xù)加廢鋼兌鐵水作業(yè)共需用時(shí) 18 min （這是爐前130 萬m3 /h 風(fēng)量所用時(shí)間最長的一種特殊方式的考慮），加上風(fēng)機(jī)變頻器升、降速時(shí)間 1 min，130 萬 m3 /h風(fēng)量運(yùn)行最長時(shí)間共計(jì) 19 min，而在一個(gè)冶煉周期內(nèi)其余時(shí)間所需除塵風(fēng)量為 100 萬 m3 /h，占風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量的 76。9%（100/130=76。9%），時(shí)間最短為 15 min （34-19=15 min）。所以除塵風(fēng)機(jī)每天 130 萬 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行時(shí)間為 13。42 h（19/34*24=13。42 h）；100 萬 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行時(shí)間為 10。58 h（15/34*24=10。58 h），按照表 1 可知，100 萬 m3 /h 風(fēng)量對應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 689 r/min，電機(jī)運(yùn)行電流為 230 A。
注院按照除塵工藝要求，統(tǒng)計(jì)了 2016 年 2 月1 日零點(diǎn)開始，連續(xù) 30 天內(nèi)的生產(chǎn)情況:130 萬 m3 /h風(fēng)量運(yùn)行的實(shí)際時(shí)間為平均每天 13。6 h（只要有一座轉(zhuǎn)爐在兌鐵水及加廢鋼狀態(tài)除塵風(fēng)機(jī)按130萬 m3 /h 運(yùn)行），100 萬 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行時(shí)間為平均每天 10。4 h。風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的節(jié)電效果對比表如表 3 所示[7,8]，76。9%額定風(fēng)量時(shí)， 采用變頻調(diào)速比液力偶合器調(diào)速節(jié)電率多18。7%。其中，高壓變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速效率要轉(zhuǎn)速曲線圖如圖 1 所示。
如圖 1，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為 100 萬 m3 /h 時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 689 r/min，而電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 993 r/min，轉(zhuǎn)速比為 69%，則變頻調(diào)速比液力偶合器調(diào)速效率高29%。
綜上所述，130 萬除塵器風(fēng)機(jī)在 100 萬 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行時(shí)，采用變頻調(diào)速比液偶調(diào)速至少可再節(jié)電18。7%以上，效益計(jì)算時(shí)按 15%取值。
煉鋼廠 130 萬除塵風(fēng)機(jī)采用液偶調(diào)速，最低轉(zhuǎn)速不能低于 750 r/min （此時(shí)液力偶合器油溫達(dá)到80℃的跳機(jī)保護(hù)溫度），參照表 1 數(shù)據(jù)可知[9,10] ，其對應(yīng)電機(jī)電流 260 A。而變頻器調(diào)速范圍為 295~ 993 r/min （實(shí)際為 15~50 Hz，對應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 295~993 r/min），實(shí)現(xiàn)除塵風(fēng)機(jī) 100 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行轉(zhuǎn)速 689 r/min，此時(shí)電機(jī)電流為 230 A，所以改變頻調(diào)速后，除塵風(fēng)機(jī)有 30A 電流的節(jié)電空間。
結(jié)合煉鋼廠混鐵爐 80 萬除塵器風(fēng)機(jī)變頻實(shí)踐：改造前風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 670 r/min 時(shí)，平均日用電量20 686 kWh。變頻改造后，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到 670 r/min，日平均用電量只有 12 134 kWh， 日平均節(jié)電達(dá)8 552 kWh，日平均節(jié)電率為 41%，雖然兩套除塵器系統(tǒng)運(yùn)行的工況不盡相同，但可以佐證液偶調(diào)速改變頻調(diào)速后，有較大的節(jié)電空間。
在線液力偶合器運(yùn)行時(shí)響聲大、油溫高淵轉(zhuǎn)速770 r/min 時(shí)，油溫高達(dá) 78.43℃，而油溫超過 80 ℃風(fēng)機(jī)有跳機(jī)保護(hù)冤， 電機(jī)一啟動(dòng)， 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速就達(dá)到387 r/min，（正常應(yīng)小于 100 r/min），目前液力偶合器帶隱患運(yùn)行，液偶超高的油溫不能保證夏天的正常運(yùn)行，勢必造成停機(jī)。
高壓變頻器自帶的各種保護(hù)功能能保護(hù)高壓電機(jī)的安全運(yùn)行，減少啟動(dòng)停止時(shí)對公司電網(wǎng)的沖擊，高壓變頻器還具有調(diào)速精度高，調(diào)速范圍寬，功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)[10] 。
2 改造方案
1）取消現(xiàn)有的液力偶合器，并將高壓電機(jī)移位重新安裝。 利用 130 萬除塵系統(tǒng)的 80 萬除塵器主電 室西面房間改建成高壓變頻器室（長 9.5 m* 寬 5 m*高 4.3 m）；新增一臺(tái)高壓變頻器，由于高壓變頻器運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生 4%的損耗而發(fā)熱[11-13]，所以變頻器室內(nèi)需安裝工業(yè)空調(diào)；利用一根 YJV-10KV - 3*240 mm2 高壓電纜用于變頻器輸出到高壓電機(jī)， 長度約 60 m（原高壓電機(jī)出線柜利舊，原高壓電機(jī)電纜作為高壓變頻器的進(jìn)線電纜），改造后，高壓主回路原理詳見圖 2；
2）新增一臺(tái)上位工控機(jī)，并編寫相應(yīng) PLC 程序及上位機(jī)畫面；
3）通過 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)變頻調(diào)速， 130 萬除塵 PLC 系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊分別讀取三座轉(zhuǎn)爐的冶煉狀態(tài)信號并參與到高壓電機(jī)變 頻器調(diào)速控制；
4）兌鐵水及加廢鋼狀態(tài)：取轉(zhuǎn)爐濺渣結(jié)束氮?dú)?切斷閥關(guān)閉信號開始， 爐體搖正開始吹煉氧氣閥門打開信號結(jié)束，此時(shí)除塵風(fēng)機(jī)按 130 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行；
5）吹煉及出鋼狀態(tài)院取開始吹煉氧氣閥門打開信號開始，出完鋼后轉(zhuǎn)爐濺渣結(jié)束氮?dú)馇袛嚅y關(guān)閉信號結(jié)束，此時(shí)除塵風(fēng)機(jī)按 100 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行；
6）轉(zhuǎn)爐工藝檢修、設(shè)備檢修及停爐大修狀態(tài)：操作工點(diǎn)擊上位機(jī)畫面上檢修按鈕，檢修轉(zhuǎn)爐二次除塵閥門關(guān)閉， 此時(shí)除塵風(fēng)機(jī)按 100 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行；檢修完成操作工點(diǎn)擊上位機(jī)畫面上冶煉按鈕，按轉(zhuǎn)爐不同狀態(tài)進(jìn)行高壓電機(jī)變頻器調(diào)速控制。
3 改造主要設(shè)備材料組成
高壓變頻器 （容量 4 000 kVA）， 低壓控制電纜、信號電纜、工控機(jī)、PLC 模塊、工業(yè)空調(diào)等。
4 直接效益計(jì)算分析
1）正常生產(chǎn)除塵器每天 130 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行時(shí)間 13.6 h，每小時(shí)消耗有功功率 2859 kW，由于改變頻調(diào)速后有 15%的節(jié)電率， 則可產(chǎn)生年效益院2 859 kW*13.6h*15%* （365-73.5）天 *0.54 元=91.80 萬元/年。
2）三座轉(zhuǎn)爐平均年檢修時(shí)間 73.5 天；檢修時(shí)只有兩座轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)， 100 萬 m3 /h 除塵風(fēng)量即可滿足除塵工藝要求，參考表 1 數(shù)據(jù)可知此時(shí)電機(jī)輸出功率為 2 121 kW。 改變頻調(diào)速后最少有 15%的節(jié)電率， 則可產(chǎn)生年效益：2 121 kW*73。5*24*15% *0.54 元=30.30 萬元/年。
3）正常生產(chǎn)時(shí)除塵器每天 100 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行時(shí)間 10.58 h， 參考表 1 數(shù)據(jù)可知每小時(shí)消耗有功功率 2 121 kW， 改變頻調(diào)速后最少有 15%的節(jié)電率，則可產(chǎn)生年效益：2 121 kW*10.58h*15%*（365-73.5）*0.54 元=52.98 萬元/年。
4）高壓電機(jī) 30 A 電流每小時(shí)消耗的有功功率：30 A*6.3 kV*1.732*0.89*0.95=276 kW， 而正常生產(chǎn)除塵器每天 100 m3 /h 風(fēng)量運(yùn)行時(shí)間 10.58 h，加上年工藝、設(shè)備檢修及轉(zhuǎn)爐大修時(shí)間 1 764 h，則可產(chǎn)生年效益：（276 kW*10.4 h*（365-73.5）+276 kW*1 764 h*0.54 元）=109.96 萬元/年。
5）液偶正常每 3 年返廠保養(yǎng) 1 次，保養(yǎng)費(fèi)約11 萬元，變頻改造后可節(jié)省液偶維修費(fèi)用 3.67 萬元 轅年。 （11 萬 /3 年=3.67 萬元）。
6）空調(diào)運(yùn)行耗電費(fèi)：3 150 kW 變頻器額定運(yùn)行發(fā)熱量按 4%計(jì)算，達(dá)到 126 kW/小時(shí)， 需安裝 28 kW 制冷量空調(diào) 4 臺(tái)，年耗電量產(chǎn)生費(fèi)用院126 kW/2。6(能效比)*60% 開動(dòng)率 *24 小時(shí) *365 天 *0.54 元=13.75 萬元 /年。
7）設(shè)備折舊費(fèi)： 電氣設(shè)備固定資產(chǎn)折舊費(fèi)每年按 10%計(jì)算，約為 11 萬元 /年。
8）合計(jì)年節(jié)電計(jì)算效益： 225.47 萬元 /年（91.80+30.30+52.98+109.96+ 3.67-13.75-11=263.96 萬元）。
5 年節(jié)電直接效益實(shí)際完成
改造前平均日電耗 68 626 kWh，改造后平均日電耗 44 800 kWh。 所以， 改造后年節(jié)電直接效益實(shí)際為：469.61 萬元/年 [（68626/天-44800/天） *365*0.54=469.61 萬元]。
6 間接效益分析
1）采用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取消液力耦合器加放空閥門控制調(diào)節(jié)， 降低了設(shè)備的故障率，節(jié)電效果顯著；
2）采用變頻器控制電機(jī)， 實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長了設(shè)備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；
3）電機(jī)將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，減少了噪聲對環(huán)境的影響；
4）具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺項(xiàng)等自動(dòng)保護(hù)；
5）采用變頻調(diào)速控制方式，減少了液力耦合器的維護(hù)，維修等，大大降低了運(yùn)行成本。 實(shí)踐證明，變頻改造具有顯著的節(jié)電效果，是一種理性的調(diào)速控制方式。 既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且還大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，另外當(dāng)采用了變頻調(diào)速時(shí)，由于變頻裝置內(nèi)的直流電抗器能很好的改善功率因數(shù)， 也可以為電網(wǎng)節(jié)約容量。 直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。
7 結(jié) 論
變頻調(diào)速控制技術(shù)， 能達(dá)到很好的節(jié)能效果，同時(shí)，也降低了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，提高了設(shè)備的功率因數(shù)， 延長了機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命，提升了系統(tǒng)的可靠性。 另外，因?yàn)樽冾l器強(qiáng)大的保護(hù)功能，對設(shè)備起到了很好的保護(hù)作用，有效降低了設(shè)備的維護(hù)成本。 近幾年，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷推廣與應(yīng)用，從實(shí)踐結(jié)果來看，得到了良好經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與社會(huì)效應(yīng)，并且，也得到用戶的廣泛認(rèn)同。
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