高壓變頻技術在電弧爐除塵系統(tǒng)中的應用

摘要：本文在分析電弧爐設備的運行現(xiàn)狀和研究電弧爐除塵系統(tǒng)特點的基礎上，通過北京利德華福生產的Harsvert-A型高壓變頻器在某煉鋼廠除塵系統(tǒng)改造中的應用實例，介紹了高壓變頻技術在煉鋼廠電弧爐除塵系統(tǒng)中的實現(xiàn)。實例證明，該變頻技術在節(jié)能降耗、提高自動化控制水平方面具有很好的應用前景。
關鍵詞：高壓變頻技術；除塵風機；節(jié)能
一、概述：
　　鋼鐵廠以其資源密集、能耗密集、生產規(guī)模大、物流吞吐量大等特點，長期以來一直被認為是煙塵排放量大、廢棄物多、污染大的企業(yè)。而電弧爐煉鋼是一些鋼鐵廠造成煙塵污染的主要來源之一。
　　電弧爐（簡稱電爐）主要是通過用廢鋼、鐵合金和部分渣料進行配料冶煉，根據(jù)不同的鋼種要求，可以接受高炭鉻鐵水和脫磷鐵水，然后熔制出碳鋼或不銹鋼鋼水供煉鑄用。電爐煉鋼時產生的有害物污染主要體現(xiàn)在電爐加料、冶煉、出鋼三個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，由于吹氧或加礦石而產生大量赤褐色濃煙。在上述三個冶煉期中，氧化期產生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高。因此，電爐除塵系統(tǒng)按照氧化期的最大煙塵排量進行設計。在系統(tǒng)最大風量需求的基礎上增加1.1~1.3倍的安全閾度進行除塵風機選型設計。整個煉鋼過程中吹氧時期占30~35%，此時風機處于較高負荷運行，而其余時間則處于較低運行工況。很顯然，除塵系統(tǒng)的利用率很低且系統(tǒng)效率差。
　　長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產生的粉塵大小均使除塵風機全速運行，采用入口擋板開度調節(jié)，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇，節(jié)能降耗、提高生產效率成為企業(yè)發(fā)展提高競爭力的有效手段之一。
　　而在九十年代開始廣泛應用的高壓大功率變頻調速技術則正是適應了市場的需求，在技術和應用領域上得到不斷的進步和拓展。現(xiàn)在，已廣泛應用于電力、石油化工、礦山、冶金、給排水、機車牽引等領域。
　　大冶特鋼集團某煉鋼廠正是在這種狀況下，對電爐除塵系統(tǒng)進行高壓變頻技術改造研究的。該電弧爐除塵系統(tǒng)結構如下圖一所示。電爐在冶煉過程中的粉塵主要通過爐頂煙道經沉降室沉積，水冷壁冷卻后經除塵系統(tǒng)過濾排放；同時利用集塵罩將現(xiàn)場生產車間的粉塵和廢氣及時排走，以免危及電爐周邊工作人員的安全、污染環(huán)境。除塵風機是將煙氣吸收排放的主要設備。


圖一 電弧爐除塵系統(tǒng)結構圖

二、系統(tǒng)技術方案研究：
　　大冶特鋼集團某煉鋼廠#8電爐為擴容的70t ABB交流電弧爐。除塵器系統(tǒng)采用TFMC布袋式除塵器，設計過濾面積11985m2，最大除塵風量450000 m3／h。
　　#8電爐的煉鋼周期為70~85分鐘，其中裝料6~10%，送電熔化25~30%，吹氧30~35%，還原期15~20%，沖渣出鋼6~8%。在不同的生產工藝階段，電爐產生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時廢鋼及渣料產生的揚塵，需要的除塵風量不大，要求粉塵不擴散，不污染電爐周邊工作環(huán)境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發(fā)可燃廢棄物燃燒產生廢氣。此時，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài)，要求煙塵能夠及時排出，又不能過多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間，不僅要求除塵系統(tǒng)能夠及時迅速的將廢氣和粉塵排走，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度，確保終點溫度。因此，對除塵系統(tǒng)要求較高。進入還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時，主要排放物是沖渣產生的水蒸汽和少量廢氣。
　　通過對冶煉工藝的分析：電爐在煉鋼過程的不同階段對除塵風量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉為最大，加料除塵為最低。鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風機的運行方式和設備特點，對除塵風機的控制制定如下方案。
2．1 設備參數(shù)：
除塵風機參數(shù)： 電動機參數(shù)： 熱變電阻柜參數(shù)： 變頻器技術指標：
型號：Y4-73 No31.5F 型號：Y6304-8 型號：HTR 5-2 型號：Harsvert-A06/220
流量：456200m3/h 額定電壓：6000V 額定電壓：6000V 輸入電壓：6000V
風壓：352kPa 額定電流：185A 額定電流：200A 額定電流：220A
軸轉速：730r/min 額定轉速：741r/min 額定頻率：50Hz 額定頻率：50Hz
軸功率：1470kW 額定功率：1600kW 額定容量：2000kVA 輸出電壓：0~6000V
輸出頻率：0~50Hz
額定容量：2000kVA
2．2 系統(tǒng)電氣構成
　　根據(jù)現(xiàn)場生產工藝情況，選用利德華福生產的Harsvert-A型變頻器作為主件，該變頻調速系統(tǒng)具有諧波含量小，功率因數(shù)高、編程靈活、操作方便、模塊化結構、故障率低、免維護、易維修等特點。
除塵風機電氣系統(tǒng)的主接線結構圖如圖二所示。6kV電源通過母線段網側高壓開關DL接入系統(tǒng)，采用多重化移相干式隔離變壓器進行電源側電氣隔離，以減小對電網的諧波污染；變壓器輸出經功率柜逆變輸出后直接驅動三相異步電動機，實現(xiàn)除塵風量的控制。為保證除塵風機安全可靠運行，系統(tǒng)設計了工／變頻兩套動力系統(tǒng)。當系統(tǒng)變頻運行時，斷開隔離開關QS21、QS22；合隔離開關QS11、QS12。由變頻器啟停設備，實現(xiàn)除塵風機的轉速和風量控制。當變頻線路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)切換至原工頻運行方式；斷開隔離開關QS11、QS12；合隔離開關QS21、QS22。由原除塵系統(tǒng)通過熱變電阻柜啟動風機，入口擋板控制風量。


圖二 除塵風機電氣系統(tǒng)的主接線結構圖
2．3 系統(tǒng)控制方案
由于不同工藝階段的煙氣溫度有明顯差異，因此溫度的高低直接反映了電爐的運行工況。系統(tǒng)并沒有采用檢測電爐工作中粉塵濃度的方式來直接控制除塵風量，而是采集煙道溫度作為系統(tǒng)調節(jié)的基本參量，通過非線性函數(shù)關系推導出不同運行工況下的除塵風量參與系統(tǒng)控制。從工程角度講，溫度變送器可以在惡劣的工業(yè)場合應用，抗干擾能力強、工作穩(wěn)定性好、控制精度高、安全可靠、免維護且價格便宜。而粉塵濃度檢測裝置價格昂貴、穩(wěn)定性差、故障率高、維護量大、現(xiàn)場檢測點數(shù)據(jù)采集很難具有廣泛代表性等缺點。基于上述原因，選用除塵煙道的煙氣溫度作為現(xiàn)場過程量。同時，以吹氧量和冷風門開度作為除塵風量的修整參量，從而提高系統(tǒng)響應速度、改善控制品質、達到良好的除塵效果、實現(xiàn)除塵風量自動控制、降低運行人員勞動強度、提高系統(tǒng)效率，達到最佳的節(jié)電效果。具體的控制邏輯見圖三所示。
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圖三

　　為了保證系統(tǒng)的可靠性，另外增加了除塵風量手動控制回路，對除塵風量的控制采用分段調速的方式由爐前操作臺控制變頻運行的頻率點，從而實現(xiàn)不同運行工況下的風量調節(jié)。控制邏輯圖如圖四所示。


圖四
　　實踐證明：系統(tǒng)在設計了兩套控制方案后大大提高了系統(tǒng)的實用性和可操作性，很好的滿足了現(xiàn)場生產要求。同時，在改善現(xiàn)場工作環(huán)境，提高產品質量，降低噸鋼能耗方面起到了積極作用。
三、系統(tǒng)特點：
變頻調速技術在電爐除塵系統(tǒng)中應用后，主要體現(xiàn)了以下幾個特點：
1． 除塵設備功耗隨電爐煉鋼生產工藝變負荷運行，提高了系統(tǒng)效率；實現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的最佳工況運行。取得顯著的節(jié)能效果。
2． 大大有效降低了除塵系統(tǒng)負荷率，延長了除塵器、除塵風機、除塵電機、煙道等設備的使用壽命。
3． 對降低爐內熱量損失，合理控制過程溫度，確保終點溫度起到一定的作用。
4． 對除塵系統(tǒng)進行變頻改造，有助于改善爐內吹煉工況，縮短煉鋼時間，提高鋼產量改善出鋼品質。
5． 降低補爐期間的能耗和爐襯散熱損失。
四、節(jié)能分析：
　　為了對除塵系統(tǒng)變頻改造后的效果進行評價，在系統(tǒng)投入正常運行一個月后對設備實際使用和節(jié)電情況進行了測定和數(shù)據(jù)分析。
　　隨機抽取一個正常生產日，將系統(tǒng)切換至工頻運行系統(tǒng)采用擋板控制調節(jié)風量。采用網側有功電度表進行耗電量計量，見表1。然后，連續(xù)采集變頻運行的7個正常生產日用電量進行變頻運行工況下的單耗計算，以期變頻運行的數(shù)據(jù)更接近真實運行工況，具體數(shù)據(jù)采樣值見表1。


　　截取工頻運行時煉一爐鋼除塵風機電流運行記錄曲線和變頻運行時煉一爐鋼的網側電流記錄曲線比較，可以直觀的看出風機電流降低明顯，設備運行工況更符合實際生產工藝需要。
五、結論：
通過對大冶特鋼集團某煉鋼廠#8電爐除塵系統(tǒng)變頻改造前后的技術分析，可以看出：在電弧爐除塵系統(tǒng)中應用高壓變頻調速技術不僅對有效改善現(xiàn)場生產狀況，提高鋼產量降低噸耗有著重要的意義；而且每年可節(jié)約230萬元左右的電費開支。在電弧爐除塵系統(tǒng)中應用高壓變頻調速技術是完全正確的。
參考文獻 :
[1] 邱紹岐，祝桂華編著．電爐煉鋼原理與工藝．北京：冶金工業(yè)出版社，1996
[2] 沈才芳等編著．電弧爐煉鋼工藝與設備（第2版）．北京：冶金工業(yè)出版社，2001
[3] 高壓變頻器應用資料匯編．冶金行業(yè)：北京利德華福電氣技術有限公司，2004