寶鋼超高功率直流電弧爐整流器改造優化

摘 要：文章首先介紹了國內外在整流器設計上取得的成果及存在的缺陷。以寶鋼原整流器系統情況為切入點介紹了主要技術參數、圓盤式框架設計框架結構及冷卻水系統主要設計指標。然后說明了雖然從2000年開始對冷卻系統進行了一系列技術改造，取得了一定的成效，但是電爐整流器自從1996年投運以來也存在一些缺陷，例如整流器設計裕量偏低、均流的影響、冷卻能力偏低以及環境的影響。當前整流器存在的主要問題是框架變形、均流無法保證、冷卻管道時常堵塞。最后分析了整流器的改造、主要技術要求及取得的主要成果。目前整流器的改造運行正常可靠，徹底解決了多年無法解決重大事故隱患問題，提高了設備的可靠性，保證了電爐生產安全正常運行。這些新技術將在今后的工程中廣泛使用并且為國產化直流電弧爐提供了有力的幫助。

關鍵詞：整流器；框架；均流；冷卻系統

中圖分類號：TF748.41 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）29-0092-02

電爐煉鋼的主原料主要是廢鋼，占60%以上，并可以全廢鋼冶煉，在冶煉初期（引弧階段），電弧經常會出現瞬間的短路及斷路，形成的電動力對整流器框架產生強大的振動沖擊，容易引起整流器框架變形損壞。因此，國外制造的超高功率直流電弧爐專用整流器都是以框架結構穩定性為基礎的，目前國內研制最大僅只用到60 t直流電弧爐上，尚無制造60 t以上直流電弧爐用整流器的先例。國外制造的電爐用整流器在框架結構設計方面有兩個顯著的特點：一是整流器框架采用開放式自支撐式設計，如蘇鋼100 t的直流爐引進的SIEMENS整流器；二是整流器框架采用開放的大圓盤式設計，如寶鋼150 t與杭鋼80 t直流電弧爐引進的GE整流器。雖然兩種框架結構設計出發點都是從整流器安全、可靠運行角度考慮的，但不同廠家針對用戶實際要求和設備安裝環境等不同，其設計出來的裝備風格具有明顯的區別，經實際運行證明裝備所具有安全性、可靠性和穩定運行性也存較大差異。寶鋼電爐整流器是由加拿大GE公司制造的，采用大圓盤式結構設計，這種框架結構非常緊湊，不利于日常維護，電爐投運十幾年來，整流器暴露出了許多重大問題，運行可靠性越來越差。

近年來，隨著國內大容量電力電子裝置技術發展很快，在一些引進裝備部件的國產化應用及部分改造方面發揮了一定作用，特別是自主研發的大容量裝置在電解、電鍍、無功補償裝置、“西電東送”超高壓輸變電等工程項目中得到了較好應用，已基本具備了研發超高功率直流電弧爐用整流器的技術能力。

1 原整流器系統情況

1.1 寶鋼電爐整流器

寶鋼分公司煉鋼廠150 t超高功率雙爐殼直流電弧爐是由法國CLECIM公司整體引進的。電爐的供電電源是由三套整流器裝置EB51、EB52和EB53組成的，整流器輸出的負極連接到爐頂石墨電極，正極經底電極切換開關連接到兩個爐底底電極中的一個，冶煉時石墨頂電極和底電極經爐內的廢鋼或鋼水之間產生電弧，形成爐內能量的供給源。其中，三套整流器裝置EB51、EB52和EB53由GE加拿大電氣公司于1996年制造。

1.1.1 整流器框架結構

電爐整流器結構由交流鋁母排、直流鋁母排、帶絕緣板的鋁合金焊接框架和晶閘管組件組成，整個系統采用開放式框架設計，鋁母排之間通過焊接支撐。系統采用負壓閉循環純水冷卻方式，冷卻系統由三臺水泵、三臺熱交換器及一個密封水箱組成。

整流器采用三相橋式全控整流，每個橋臂有10只2500A/2500V晶閘管并聯組成，橋臂采用大圓盤結構形式，每組晶閘管組件（包括一只晶閘管、一只快熔、三個水冷散熱塊和一套晶閘管安裝支架，靠一支250 mm長的交流連接母排和內圈的直流連接母排固定到交直流母排上。

1.1.2 冷卻系統

水箱內的純水流經整流器內各母排及晶閘管散熱塊，再由三臺水泵抽回水箱，形成一套負壓閉循環純水冷卻系統，此部分又稱為內部冷卻水系統，主要將整流器交直流母排及晶閘管工作時產生的熱量帶走，而內部冷卻水帶出的熱量又經過三臺板式熱交換器，由外部冷卻水對流冷卻。

冷卻水系統的主要設計指標如下：

①內部冷卻水水質為去離子加5%丙烯甘醇混合純水、電阻率300 k以上，最高進口水溫38.5℃，流量433 l/min。

②外部冷卻水引至電爐電氣冷卻用純水總管，最小流量667 l/min。

③水泵：流量：5/85（GPM），揚程：72/55（Ft）， 正常情況下2備1。

④熱交換器：熱交換面積3.77 m2，設計壓力0.7MPa，最高承受溫度150℃，正常情況下2備1。

1.2 存在的缺陷

電爐整流器自從1996年投運以來，故障頻發，對1999～2008十年間的電爐主作業線故障停機進行統計，其中47起由整流器故障引起，停機時間175.6 h，直接影響電爐的生產產量。從2000年開始實施了晶閘管擴容、冷卻系統改進等一系列技術改造，取得了一定的成效。

2 項目改造、目標

2.1 項目改造

本次整流器改造，利用寶通鋼鐵閑置整流器設備框架及部分元器件，開發制造3臺整流器，分別更新替換現有的EB51、EB52、EB53三臺整流器設備。

寶通鋼鐵閑置整流器為ABB成熟產品（原屬浦鋼公司100t直流電爐），特別是在框架結構、18個晶閘管并聯運行的系統安全裕量與動態均流、降低系統發熱量與系統冷卻、滅弧（防止事故擴大）等設計方面有較高的可靠性。

整流器設備利用了閑置整流器框架及部分元器件設備，結合多年的設備使用維護經驗，對控制、保護及冷卻系統等部分進行全新優化設計，在發揮閑置整流器框架結構優勢的基礎上，進一步有效提升了整流器安全穩定運行性能。

利用寶通鋼鐵閑置整流器設備框架開發制造3臺整流器，重新設計制造的設備及零部件如下：

①交流進線單元。交流進線單元共3套，每套包括：變壓器的三相接口及連接、電流互感器CT、銅母線、支撐及大電流交流進線絕緣處理等。

②整流觸發及驅動單元。整流觸發及驅動單元共3套，每套包括：12塊光電觸發脈沖、驅動及導通電路顯示板等。

③直流出線單元。直流出線單元共3套，每套包括：輸出端接口排連接、直流輸出支撐連接、大電流直流輸線絕緣處理等。

④控制單元。控制單元共3套，每套包括：控制電路系統、屏蔽控制電纜及光纜接頭等。

⑤保護監控單元。保護監控單元共3套，每套包括：橋臂及母排接口溫度檢測、過壓保護、過流保護、dv/dt保護、交直流側及可控硅器件阻容吸收保護、直流電壓檢測（含穩壓電阻組）、接地監控系統、快熔檢測、故障報警信號及HMI接口界面等。

⑥內循環純水冷卻系統。內循環純水冷卻系統共3套，每套包括：水路連接單元、可控硅冷卻、快速熔斷器冷卻、交直流母排冷卻、盤架冷卻、2臺循環水泵（1用1備）、自動補水閥、去水離子系統、純水冷卻熱交換系統及純水冷卻系統檢測儀表等。冷卻系統采用閉循環水冷系統，循環水采用正壓方式，冷卻能力應滿足整流器最大電流工作需求，且設計時應盡量減小運行過程中電位腐蝕的影響。每套整流器水冷系統進出水口側各增加1套溫度檢測點，出水口增加1套差壓流量計，冷卻水箱增加1套液位計，1套電導率計，1套壓力變送器。

⑦3套純水冷卻系統公用補水箱。增加1個純水公用補水箱，內裝1套水位檢測儀表。

2.2 整流器主要技術要求

依據現有整流器十多年的實際運行維護及相關改造經驗，確定改造后整流器應達到下列技術指標要求。

輸入電壓：AC 648 V、3相、50 Hz；輸入電流：AC 29394 A；額定輸出電壓：DC 765 V；最高空載直流電壓：DC 870 V額定功率：27 540 kW；額定輸出電流：DC 36000 A（連續）；整流器承載最大電流能力：144kA/10s；平波電抗器：150 μH；可控硅通態壓降：≤1.35 V/3000 A；可控硅承受浪涌電流能力：43 kA/10 ms；可控硅電流安全裕量：kAi≥3.6；可控硅電壓安全裕量：kAu=3.0倍；整流器過載能力：150%額定輸出電流，歷時1 min；整流裝置額定整流效率約：η≥95%；橋臂均流系數達到國家標準：18并≥0.74；整流裝置額定運行時噪音：≤65 dB；冷卻方式：純水—強迫水冷式冷卻；安裝方式：戶內絕緣法安裝；柜體防護等級：開啟式自支撐框架結構。

3 結 語

目前整流器改造已運行一段時間了，運行正常可靠。徹底解決了多年無法解決的設備頑癥、解決了維護和故障分析處理困難及備件供應困難特別是解決了重大事故隱患等問題，提高了設備的可靠性，保證了電爐生產安全正常運行。這些新技術相信在今后的工程中必定會得到廣泛的使用也為國產化直流電弧爐提供了有力幫助。

參考文獻：

[1] 朱應波.直流電弧爐煉鋼技術[M].北京：冶金工業出版社，1997.

[2] 傅杰.電弧爐煉鋼技術發展歷史分期問題[J].鋼鐵研究學報，2006，（5）.