中壓變頻器在鋼鐵廠中的節能應用探索

王興海

摘 要：為推動鋼鐵行業的可持續發展，還要加強鋼鐵廠各個生產環節的節能改造。而采用中壓變頻器，可以滿足鋼鐵廠水泵、風機等設備的變頻調速節能改造需求，所以文章對中壓變頻器在鋼鐵廠中的節能應用問題展開了分析。從分析結果來看，通過使用中壓變頻改造鋼鐵廠每年可以節約大額電能，可以為鋼鐵廠帶來較高的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：中壓變頻器；鋼鐵廠；節能改造

中圖分類號：TN773 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）21-0161-02

Abstract： In order to promote the sustainable development of the iron and steel industry， it is necessary to strengthen the energy-saving transformation of each production link in the iron and steel plant. The adoption of medium-voltage converter can meet the needs of energy-saving transformation of water pump， fan and other equipment in iron and steel plant， so this paper analyzes the application of medium-voltage frequency converter in iron and steel plant. From the analysis results， it can save a large amount of electric energy every year by using medium voltage frequency conversion transformation of steel plant， and can bring higher economic and social benefits to the iron and steel plant.

Keywords： medium voltage converter； iron and steel plant； energy-saving transformation

引言

伴隨著能源的日漸緊缺，人們對節能問題也給予了更多重視。而在鋼鐵廠日常運營中，需要大量的風機、水泵類用電設備采用工頻運行，將產生大量的資源和電能損耗。因此，還應加強對中壓變頻器在鋼鐵廠中的節能應用分析，以便更好的解決鋼鐵廠的電能不必要損耗問題。

1 變頻調速節能技術概述

所謂的變頻調速技術，就是通過改變交流電源頻率進行電機無極調速控制的技術。結合電機驅動設備工作原理可知，無論是風機還是水泵，都需要將電機軸功率轉化為流體動能，達到驅動設備運轉的目的。針對這類設備，直接采用工頻電壓進行供電，設備將以額定轉速運轉，需要結合工作最大需求量完成電機設計，所以電機工作富余量較大。但在設備實際運行的過程中，通常不需要以額定轉速運轉。針對這一情況，還要采用液力耦合器、閥門等裝置進行壓力流量調節，此過程則將產生較大的能量損失。采用變頻調速技術，可以使閥門處在全開狀態，通過直接調整電機轉速進行介質輸送壓力和流量的調整，所以能夠從設備用電源頭上進行能量節約[1]。從變頻調速節能系統構成上來看，包含變頻器、整流變壓器、邏輯控制器等設備。其中，整流變壓器與需要變頻柜配套，用于為變頻裝置提供電源。而邏輯控制器負責進行數據采集和現場設備運行監控，能夠實現參數連鎖和邏輯控制，實現報警、通訊等功能。變頻器作為系統核心組成部分，可以在電機調速控制和保護上得到應用，確保電機平滑、可靠起動，避免電機、電網等受到沖擊。因此在應用變頻調速節能技術時，還要加強變頻器的選用。

2 中壓變頻器在鋼鐵廠中的節能應用

2.1 鋼鐵廠變頻節能需求

在鋼鐵廠中，對風機、水泵等設備進行了大量使用。比如在煉鐵工序中，包含助燃風機、除塵風機、冷卻循環給水泵等設備。在軋鋼作業中，包含冷卻風機、除塵風機等設備。這些設備作為鋼鐵廠的通用機械，將產生大量電能損耗。就目前來看，設備采用的電機多為交流驅動電機，可以通過調節電機轉速實現風量、水流調節。但是，鋼鐵廠的工藝設備相對復雜，設備間存在較大的運行工況差異，在對設備進行變頻調速時，需要結合驅動電機負荷率確定節電效果。在電機運行工況與設計工況差距較大的情況下，節電效果往往更好。就目前來看，鋼鐵廠大多數用電設備并未采用變頻技術。而可以使用變頻技術的設備大多為公輔設施，改造后對生產線的影響不大，不會受到工藝、產品產量等方面的限制，所以技術應用的獨立性較強。所以在實際改造過程中，還要重點從環保、經濟效益等方面確定技術應用的有效性。值得注意的是，在節能改造過程中，必須要對改造取得的效益展開分析。因為鋼鐵廠通常擁有較大的建設投資規模，通常在幾十億之上，每日的生產運營費用都較高。如果采用的節能改造技術僅能在小范圍適用，將很難獲得規模效益。因此在對鋼鐵廠進行變頻改造過程中，需要加強經濟效益的分析。

2.2 節能采用的中壓變頻器

2.2.1 中壓變頻器。中壓變頻器的種類有較多中，按照中間環節是否存在直流可以劃分為交交變頻器和交直交變頻器，結合直流性質可以劃分為電流型變頻器和電壓型變頻器等等。而按照電壓等級，可以劃分為中壓變頻器和通用變頻器。從原理上來看，大多就是利用面積等效原理。針對面積相等，但形狀不同的窄脈沖，在慣性條件下，將產生基本相同的輸出響應波形效果[2]。因此采用中壓變頻器，可以通過在電機繞組端施加窄脈沖，從而按正弦規律進行系列電壓脈沖的調制，促使回路中電流波形為正弦波。對于變頻器來講，中間環節直流將對輸入功率產生影響。因為電壓型的變頻器中間直流環節擁有大電流，電機無功電流由電容提供，電網間沒有無功交換，所以能夠使高功率因素得到保證。如果采用電流型，直流環節為大電感，電網與電機間將產生無功功率交換，無法保證高功率。一旦電機負荷減小，功率將隨之降低。因此在采用中壓變頻器時，需要采用電壓源型電容，獲得較高的輸入功率因數。

2.2.2 變頻器的選用。霍尼韋爾（Honeywell）變頻器在自動調頻領域始終占據領先地位，在自動化控制上采用了獨特的閉環控制思想，能夠大幅度降低能耗，并使工藝控制水平得到改善，同時達到減少電網沖擊、延長設備使用壽命和提高生產效率等作用，可用于進行風機、循環水泵、壓縮機等多種設備的變頻控制。霍尼韋爾的SolidDrive系列變頻調速裝置調速范圍為100：1，變換矢量控制的靜態轉速精度能夠達到0.1%，起動轉矩為150%，整機效率超出了97%，逆變效率超出了98.5%，平均無故障工作時間超出100000小時，故障修復時間平均不超出10min。采用霍尼韋爾變頻器，可以完成對電壓、電流、功率因素、效率、頻率等多種狀態變量的監控，實現DSP全數字控制，同時為CDMA等遠程監控功能提供支持。此外，該種變頻器擁有完善保護功能，如電機過壓保護、輸入過壓保護、變壓器過熱保護等。因此在鋼鐵廠節能保護方面，可以選用霍尼韋爾SolidDrive系列變頻器。寶鋼股份梅鋼公司煉鐵廠4#高爐熱風爐助燃風機就是采用霍尼韋爾SolidDrive系列10kV變頻器驅動1400kW助燃風機電機。

2.3 中壓變頻器的節能應用

2.3.1 在風機電機控制中的應用。在鋼鐵廠的節能改造工作中應用中壓變頻器，可以實現高爐熱風爐系統助燃風機的節能改造。在煉鐵工藝生產過程中，采用鐵礦石和焦炭等進行鐵水的冶煉，高爐需要大量高溫氣流，需要由空氣經熱風爐加熱產生。助燃風機是熱風爐工作的重要設備。為實現節能生產，煉鐵廠鐵廠采用電爐鋼鐵系統進行煉鋼操作，利用系統配備的除塵風機進行煙氣中污染物去除。但是在實際的生產中，助燃風機采用不同的的風量供給熱風爐，因此鋼鐵廠采用了風機出口電動風門和液力耦合器進行除塵風機調速調風。但是采用該種裝置，在風機轉速由低向高轉變過程中，存在明顯延遲，導致電機無法快速響應。此時，裝置中電流較大，容易引起系統跳閘，導致系統穩定性受到影響。而電動風門的控制精度較差，只能在40%-90%范圍內調速。在電機起動時，將產生很大的啟動電流。在電機高速運行時，甚至會出現丟轉問題。此外，在調速過程中，需要利用導管對工作腔液量進行調整，通過改變扭矩和輸出轉速滿足不同工況要求，因此需要經常進行供油系統維修養護。一旦耦合器發生故障，風機將無法繼續運行[3]。而長時間運行，將導致偶合器嚴重漏油，給環境帶來較大污染。生產中，也容易產生環保問題，所以無法滿足系統生產需要。在節能改造的過程中，針對煉鐵廠采用的YKK630-4 1400kW助燃風機電機，采用SolidDrive系列變頻器可以完成軟啟動和無級調速，從而實現電機的高效變頻。在煉鐵廠生產的過程中，在進行高爐煉鐵的過程中，可以結合鐵水煉制時熱風爐助燃風量需求完成頻率適當選擇，從而根據產生煙氣量和溫度進行風機電機轉速調節，達到更好的助燃效果。采用該方法進行風機電機控制，可以使熱風爐助燃系統電能消耗量得到顯著減少，同時使系統工作效率得到提高。通過改造可以使熱風爐助燃系統風量調節實現無級調速并消除電機啟動電流沖擊對電網的影響，所以能夠降低系統功耗，獲得理想的節能效果。

2.3.2 在水泵電機控制中的應用。鋼鐵廠在煉鐵、煉鋼過程中，需要利用使泵供應大量的水。但是在不同工藝中，用水量存在一定的差別。煉鐵廠采用固定轉速電機進行水泵驅動，并采用控制閥對管道流量變化進行控制，將導致用水量大的情況下，水泵以額定條件運行，運行效率較高。但是在用水量少的情況下，利用調節閥減小出水量，將導致水泵運行與水量間出現的壓差較大[4]。此時，水泵依然以額定功率運行，將導致大量能量損失。針對煉鐵廠水泵運行問題，還要采用中壓變頻器進行水泵電機控制。采用該種方法，能夠使水泵電機處在可變速條件下，確保水泵運行特性曲線與系統流量變化相匹配。利用壓力傳感器，可以將壓力信號轉換為電信號。而借助變頻器進行壓力值的比較和計算，并將運算結果轉換為調頻信號，則能完成水泵電機電源頻率的適時調整，有效避免水泵能量損失，達到節能控制的目標。

從節能改造效果來看，改造前熱風爐助燃風機在熱風爐正常燒爐及換爐時都是全速全功率運轉，轉速為1440轉/分，功率為1400kW，耗費電能1400kWH，在使用變頻改造后正常燒爐轉速是全速全功率運轉，換爐時轉速僅為平時的三分之一即500轉/分左右，根據風機功率前后比與轉速前后比成三次方關系，故助燃風機電機功率的二十七分之一，相應節約巨大的電能，產生了非常可觀的經濟效益。

3 結束語

通過研究可以發現，在鋼鐵廠節能改造方面，可以采用中壓變頻器實現風機、水泵等設備的變頻調速控制，達到改善設備運行工況的目的。采用該種變頻調速節能技術，可以通過調整電機電源頻率從供電方面實現電能節省，每年約能節省大量的電能費用，所以能夠為鋼鐵廠帶來可觀的經濟效益和社會效益。因此相信在鋼鐵廠推行清潔生產理念創建城市鋼鐵廠的過程中，該種技術能夠得到較好的應用。

參考文獻：

[1]趙旭.某鋼鐵廠富余煤氣發電技術節能效益分析[J].應用能源技術，2017（10）：22-24.

[2]曹治洲.鋼鐵廠燒結工藝的節能降耗設計探討[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2017（04）：51-52.

[3]李龍.鋼鐵廠自動化技術與節能的研究[J].科技與企業，2014（13）：140.

[4]李輝，歐陽前武.鋼鐵廠壓縮空氣系統節能潛力案例分析[J].能源與節能，2014（02）：81-83.