转炉炼钢具有显著的周期性和连续性特点, 生产一炉钢需要30min~45min, 其中供氧 (吹炼) 过程为15min~20min, 一半以上为非吹炼时间, 此时风机没有必要高速运行, 如将其切换至低速节能状态, 可节省大量能源, 同时减少设备损耗, 对提高设备利用率也十分有益。
目前国内转炉一次除尘风机多采用液力耦合器, 但由于存在转差损耗等, 节能效果不理想, 且设备故障率较高。交流变频技术不仅调速平滑, 调速范围大, 效率高, 启动电流小, 运行平稳, 而且节能效果好, 对风机、泵类设备而言是最佳的节能手段, 平均节能效果可以达到30%以上。
三钢炼钢厂原有15t氧气顶吹转炉三座, 采用“三吹三”方式, 2000年初, 炼钢厂对三座转炉进行扩容改造, 采用液力偶合器调速, 但发现很多问题, 液力偶合器需要经常更换轴承, 造成停产, 无法满足连续生产的需要, 调节时精度太低, 响应速度慢;液力偶合器故障时无法切换至工频回路;炼钢新上100t转炉时决定不再使用液力偶合器调速, 改用ABB中压变频器为新转炉风机进行调速。
1 电机参数
额定功率:630kW;额定电压:690V;额定频率:50Hz;额定转速:2970转/分。
风机参数:主轴转速:2974转/分;轴功率:500kW;额定功率因素:0.89。
2 ABB中压变频器系统结构特点
ACS800-07变频器主要由熔断器单元、辅助控制单元、DSU整流单元及逆变单元组成。系统单线图见图1。
(1) 熔断器单元主要包括进线交流熔断器; (2) 辅助控制单元包括控制回路的控制元件及控制板RDCU-02C, 急停控制, 变频的起动、停止、复位, 与外部的电路接口等部分; (3) DSU整流单元是由一个半控桥式二极管整流供电单元1×D4模块组成, 模块是一种尺寸, 装有轮子和插接式连接器, 为落地式单元, 内置交流电抗器, 直流熔断器, 主开关和可选的接触器, 具有冷却风机控制及电源控制, 易于服务和维护; (4) 逆变单元采用2×R8i的两个逆变模块并联的方式, 两个模块置于同一个柜体内, 共用一块主控板, 通过光纤分配单元把控制信号同时送至模块内, 实现变频控制的各种功能。逆变的直流母线侧安装共模滤波器, 出线配备du/dt滤波器, 抑制了输出电压尖峰和快速电压改变, 减小了对电机的绝缘性能的影响, 同时降低了电机电缆的容性漏电流, 高频辐射、高频损耗和轴承电流。炼钢的工艺过程以及风机特性是我们选择ABB中压变频器的主要原因。
3 控制系统组成
控制系统由变频调速器、风机电机、和工/变频转换柜等组成。系统中的旁路开关柜用于工频、变频转换, #1风机/#2风机的转换, 可以选择一台风机变频运行, 一台风机工频运行或者一台风机运行一台备用。一旦变频器出现故障时, 可转换为工频运行, 增强系统的可靠性。当具备主电源及控制电源的条件, 系统进入待机状态, 在待机状态时, 系统由两种操作模式可供选择:工频运行状态和变频运行状态。
工频运行状态:若系统需要工频运行, 则操作台状态选择开关置于工频位置, 这时相应的断路器和接触器断开, 用操作台控制, 实现电机的工频运行及停机。
变频运行状态:若系统需要变频运行, 则操作台状态选择开关置于变频运行位置, 实现电机的变频运行与停止, 变频器频率的高低根据压力情况实行闭环控制 (也可以组成开环调节) , 闭环或速度上升时间均由主机设置。
4 节能原理及效益分析
从风机的工作特性来看, 调速控制与风门控制调节风量比较, 有着更高的节能效果, 通过图2风机的特性曲线可以说明其节能原理。图中, 曲线1为风机在恒速 (n1) 下的风压-风量 (H-Q) 特性, 曲线2为管网风阻特性 (风门开度全开) 。设工作点为A, 输出风量Q1为100%, 此时风机轴功率N1与Q1H1的乘积, 即和AH1OQ1所包围的面积成正比。
根据工艺要求, 风量需从Q1降至Q2, 有两种控制方法:一是风门控制, 风机转速不变, 调节风门 (开度减小) , 即增加管网阻力, 使管网阻力特性变为曲线3, 系统工作点由A移到B。由图1可见, 风压反而增加, 轴功率N2与面积BH2OQ2成正比, 减少不多。
另一种是调速控制, 风机转速由n1降到n2, 根据风机参数的的比例定律, 画出在转速n2下的风压-风量 (H-Q) 特性, 如曲线4, 工作点由原来的A点移到C点。可见在相同风量Q2的情况下, 风压H3大幅度降低, 功率N3与面积CH3OQ2成正比, 显著减少, 节省的功率损耗ΔN与Q2ΔH的乘积成正比, 节能效果是十分明显的。
由流体力学可知, 风量与转速的一次方成正比, 风压与转速的平方成正比, 轴功率与转速的三次方成正比。当风量减少, 风机转速下降时, 其消耗的功率降低很多。例如, 风量下降到80%, 转速也下降到80%, 轴功率将下降到额定功率的51.2%。如果风量下降到50%, 其轴功率将下降到额定功率的12.5%。考虑到附加控制装置效率的影响, 这个节电效果也是很可观的。
5 风机工艺分析
吹炼工艺周期, 具体如图3。
t1到t2:兑铁加废钢时间, 约60S。t2到t3:风机加速时间, 90S, 根据现场情况可以更改。t3到t4:吹氧时间, 约15分钟。t4:风机开始减速, 180S, 可以调节。t4到t5:倒炉测温取样时间, 约120S。t5到t6:出钢时间, 约120S。t6到t7:溅渣时间, 约180S。整个吹炼工艺周期约30min, 高速定为45Hz, 可以调节;低速定为20Hz, 可以调节。
6 结语
除尘风机在不吹炼时, 只需要很低的转速, 根本不需要满负荷运转。利用中压变频器根据实际需要对除尘风机进行变频运行, 既保证和改善了工艺, 又达到节能降耗的目的和效果。自投入运行以来, 实现了很好的经济效益。
摘要：本文简单介绍了ABB变频器在除尘风机的应用, 阐述了控制系统的原理及功能, 并对相应的节能原理进行了介绍。
关键词：变频器,炼钢,除尘,风机,节能
参考文献
[1] 张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社, 2000, 12.
[2] ACS800自定义编程手册[M].北京ABB电气传动有限公司, 2004, 7.
[3] ACS800技术样本[M].北京ABB电气传动有限公司, 2004, 7.
[4] ACS800固件手册[M].北京ABB电气传动有限公司, 2004, 7.
[5] ACS800硬件手册[M].北京ABB电气传动有限公司, 2004, 7.
[6] 冯捷, 张红文.转炉炼钢生产[M].金工业出版社, 2006, 5.