高壓大功率變頻器在燒結主風機上的應用分析

劉忠明

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

燒結廠中最關鍵的負載是燒結主抽風機。大型燒結機主抽風機多數選用西門子公司的高壓無刷同步電機作為動力。如何實現燒結礦的生產工作，主要是將燃料、助焊劑及含鐵原料等按照一定比例進行混合攪拌，再施水潤濕后，置于燒結機上，自上而下點火燒結。主抽風機最大功能就是利用煙道實現抽風，然后使得混合料中的固體燃料達到充分、完全地燃燒，最后達到燒結目的，燒結過程中產生的廢氣利用脫硫塔及煙道等由煙囪排放（圖1）。燒結過程中，主抽風機風量和風壓的變化對其影響較大，因此，精確控制燒結過程的風量和風壓，不但有利于燒結過程的穩定性，而且還有效降低燒結能耗。

圖1 燒結主抽風機系統結構

1 京唐燒結主抽風機運行分析

1.1 風機、電機配置及控制原理

首鋼京唐燒結廠現有4臺主抽風機，每臺風機配套9375 kW高壓同步電機，總容量37 500 kW。主抽風機電機為無刷同步電機，采用2拖4的變頻軟起動。電機、勵磁、變頻軟啟動系統均為西門子公司配套產品，勵磁與變頻軟啟動之間控制通過Profibus通訊實現。如果要啟動1#主抽風機，需在1#勵磁控制柜上首先選擇1#或2#變頻；再在勵磁控制柜上點啟動，勵磁系統、變頻系統、相關開關柜自動按程序動作，待變頻系統判斷輸出頻率與工頻頻率一致時，則進行變頻切工頻，實現一鍵軟啟動完成。勵磁采用恒功率因數調節方式，勵磁電流大小通過勵磁柜內部PID（Proportional-Integral-Derivative，比例-積分-微分）調節實現。風機變頻軟啟動之后切換至旁路工頻運行，主抽風量靠風機風門調節。

1.2 燒結主抽風機運行情況

燒結主抽風機實際運行時入口導葉開度基本上在30豫～70豫，大部分時間在40%～70豫，平均開度55豫，運行功率7000 kW左右。實際運行中，入口導葉開度最大70%，運行最大功率的電機輸入功率8300 kW，電流約560 A。

在燒結過程中，原料和工況的變化較為常見。為了實現燒結過程中風量的變化，多數采用改變主抽風機的風門開度來實現，但這種調節方式有缺點：淤要想達到速度的精確控制，不能根據燒結料層的厚度和料層透氣性來改變變頻無極調速，也不能使風扇達到運行效果；于主抽風機的門開度一般控制在30%～70%（甚至低于30%），過程中一旦發生擋板截流，很可能造成不必要的浪費和電能損失；盂多數為低負荷運行工況，設備負荷得不到有效利用，風機效率低下；榆自動化程度低，對風量的控制精度達不到使用要求；虞變頻調速是目前國際上公認的風機運行特性最有效的控制手段，該控制方法具有效率高、精度高、節能等特點。

因此，采用變頻調速對燒結主抽風機進行改造，是目前最好的節能方式。

2 京唐燒結主抽風機變頻運行分析

2.1 變頻節能原理

從流體力學的觀點來看，三相異步電機不但可以推動水泵負載，而且也可以推動二次方轉矩的風機。其中流量Q、壓力H和電機軸功率P存在P菸Q伊H的關系。

當電機轉速從n1轉變為n2時，其中P，Q，H以及n之間關系如下。

從以上3個關系式可以看出，電機Q同n是正比關系，軸功率P同所需n的三次方成正比。變頻器通常是利用風機電機來調節頻率大小，進而達到對風機電機轉速的改變。例如，將額定流量值調節至80%，只有將電機的轉速調整到額定速度的80%方可實現，即頻率調整到40 Hz。此外，功率只有之前的51.2%。考慮到減速后的效率會降低和調速裝置的附加損耗，分析數據得出，風機可利用速度調節達到節能20%～50%的效果，部分風機負載可節省60%以上能量。

2.2 風機變頻節能分析

式中P2——代表變換后單負載的變頻運行功率；

Q——代表單個負載的運行流量，m3/h；

H——代表單個負載的運行壓力，Pa

濁2——代表風機效率，變換后取效率最大峰值，范圍一般在 0.83～0.86

濁——代表變頻裝置效率，通常為0.96從以上公式可以看出，變頻調速節能點主要有2個：淤采用變頻調速裝置，入口風門全開，從而減少管網阻力和摩擦，降低管網功耗，從流體力學變頻原理分析出發減少的風機軸功率；于提高風機的效率，從而減少了輸入功率和軸功率

2.3 主抽風機同步電機變頻調速優點

2.3.1 解決大型同步電機啟動問題

大功率同步電機存在啟動困難、控制復雜、沖擊電流大，容易振蕩與失步等難題，采用變頻調速系統后，采用先投勵磁，在同步機內建立磁場，變頻再輸出一定的直流電壓，定子產生一定的直流電流，并建立磁場。定轉子在相互電磁力的作用下，轉子磁極向定子磁機的異性短靠近，最后輸出低頻交流電壓，產生旋轉磁場，經過整步，轉子很快跟隨定子電壓頻率開始旋轉。這種通過變頻電源頻率的平滑調節，使電機轉速逐漸上升，實現真正意義上的軟起動。整個啟動控制過程無沖擊，操作簡便。

2.3.2 解決振蕩和失步問題

采用先進的自適應控制技術，有效、精準地控制輸出速度，不需要調整勵磁柜的勵磁電流。隨著頻率的變化，速度也隨之發生改變，不僅解決振蕩和失步問題，而且還使控制模式更加便捷可靠。

3 京唐燒結主抽風機變頻運行實現

人們曾經認為，燒結廠主抽風機功率很大，徹底改造的難度很大、花費時間長，而且風險高，還有可能造成改造機罷工停機的狀態，從而導致燒結機停產。從太鋼煉鐵廠450 m2燒結機主抽風機變頻改造來看，通過精心組織、周密計劃，盡量減少控制改動，始終貫徹執行安全性、可靠性、既要經濟性又要優質質量的方針原則，細致分析配電系統的設計、一次回路的選擇等通風散熱解決對策，可以在改造過程中保證原系統穩定運行，在最短的時間內完成燒結主抽變頻運行整體改造。

3.1 電氣回路改造

1#和2#主抽2臺主抽風機變頻改造電氣回路構成：不僅包括2臺高壓大功率變頻器、高壓開關柜數量9臺，而且還包括1#和2#燒結主抽風機控制系統、1套高壓開關柜監控系統，此外還有勵磁柜數量2個、低壓配電柜數量4臺以及“空水冷”散熱裝置。

該方案所選用的模式為“自動二拖二”，能達到任意一臺變頻器對任意一臺電機進行調速，達到“軟啟動”效果。任何電機都可以從工頻運行切換到任意變頻器運行，實現變頻操作的過程，任意一臺變頻器可以實現驅動任意一臺電機去完成變頻器切換到不同母線下的工頻操作。這2個變頻器互為備用，永遠保持著變頻器冗余備份，保證出現異常時機器仍可以正常運行。

3.2 上位DCS和MCC改造

DCS是分布式控制系統的英文Distributed Control System的縮寫，在國內自控行業又稱之為集散控制系統，MCC則是電機控制中心Motor Control Center的縮寫。預計通過4層網絡實現變頻系統的控制，并通過第一層網絡實現與整個燒結系統網絡的無縫連接，進行數據交換，具體設置如下。

（1）第一層網絡。使用原有的燒結系統去控制網絡，一定要按照燒結系統網絡所規定的固定網址去操作執行，最大限度的發揮 AC01/AC02機柜 CPU315—2DP獨立 Profibus DP模塊CP32—5來完成。在此基礎上進行了控制系統的硬件改造，用過去的獨立CPU（Central Processing Unit，中央處理器）被ET200M所取代，成為AC01/AC02的遠程變電站。由于AC01/AC02與中央控制系統之間的布線距離應控制在200 m以內，因此，采用Profibus DP 1.5 M/S來實現通信。

（2）第二層網絡。三組 PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）與1臺計算機、3臺觸摸屏進行數據交換。CPU（Central Processing Unit，中央處理器）連接到網絡主要利用3個CP342—5 Profibus-DP模塊來完成。其功能進行觸摸屏與PLC之間的數據連接。

（3）第三層網絡。通過MPI（Multi Point Interface，信息傳遞接口）傳輸全局變量，實現3套PLC之間的數據交換。

（4）第四層網絡。利用擴充導軌的辦法只能夠實現近距離的擴充3個導軌，所以第四層網絡是通過從站方式構建的。

AC01與1個80 m遠的遠程從站ET200M、1個就地從站ET200M以及采集高壓工頻柜的保護裝置UMG511共同作用才能完成數據交換，進入邏輯控制。

AC02和遠程從站從ET200站，遠程80 m從站ET200M和保護高壓工頻柜實現數據交換，進入邏輯控制。

AC03完成與本地從站ET200M和150 m遠程從站ET200M（水泵房）的數據交換。

以上網絡都可以利用DP實現通信連接。通過增加ET200M的優點，不僅實現了增強從站的可擴充性，而且增強了遠程擴展。

4 主抽風機預期改造效果

變頻成功改造后，可實現主抽風機匹配電機的無級調速，使風量穩定，可以讓操作人員達到精確控制的目的，提高燒結系統的運行參數，提高燒結效率。此外，通過不斷優化調整風量、風壓、溫度等燒結參數，有助于提升燒結礦質量。

5 結束語

燒結主抽風機采用變頻改造后，一方面改善了電機的啟動性能，實現軟啟、停功能，延長電機的壽命，而且減小對電網的沖擊；另一方面，主抽風機可根據材料層的厚度和燒結材料層的透氣性來調節變頻速度，使風機運行達到最佳工況點，運行節電率可達20%以上。特別是在減產運行等的情況下，可調速至最小功率，更加體現系統運行經濟性。

近年來，節能已成為鋼鐵冶金企業發展過程中重點關注的課題。在京唐公司的大型燒結機主抽風機系統中，選用同步電機配套高壓變頻控制技術，不但節約用電、操作成本低、系統安全可靠，同時具有易于保養維護的優勢。采用這種技術，國內類似技術企業都可以達到節省約20%的電力。