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国产超大功率高压变频器在炼铁高炉鼓风机中的使用

2014-04-14 09:42:53

  国产超大功率高压变频器在炼铁高炉鼓风机中的使用
  The Application of Domestic Super High Voltage Power Inverter in Iron Blast Furnace of the Fans

  山东新风光电子科技发展有限公司 陆思党
  山西永恒工贸有限公司 赵中川
  Lu Sidang   Zhao Zhongchuan

  摘  要:本文分离6500kW/10kV高压变频器实践运转工况,引见了国产超大功率高压变频器在高炉鼓风机上的使用。经由过程革新,实现了高炉的工艺优化,也表现了国产基于单位级联式多电平高压变频器的制造才能。
  关键词:高压变频器   高炉鼓风机   单位级联式多电平
  Abstract: This paper introduces the application of high power and high voltage inverter produced in our country in the condition of the actual Blower of the blast furnace. The reconstruction implements the efficient running of blast furnace and embodies the manufacturing capabilities of the high voltage inverter based on the Power unit connects the multi- levels in China.
  Key words: High voltage inverter   Blower of the blast furnace   Power unit connects the multi- levels
  1 弁言
  山西永恒工贸有限公司始建于1998年,是由原“稷山县处所国营炼铁厂”改建而成,属于公营股份制企业。如今有450m3炼铁高炉一座,220m3炼铁高炉两座,烧结机两台,JN4340型焦炉一座,水泥生产线一条。年消费生铁90万吨。近年来,公司主动呼应国家产业政策,放慢技术进步的同时,主动停止节能减排,实现废气(物)轮回再利用,构成了煤-焦-化和煤-焦-铁-电(水泥)两条轮回生产线。
  永恒工贸450m3炼铁高炉风机接纳6500kW/10kV三相异步电动机,定子串水电阻方法启动,启动时打击电流大,连续时间长。并且受电网容量的限定,在每次启动时均需将厂内其它所有用电装备停掉,在此台高炉风机起动后才气起动其他装备,操纵比力麻烦,因而有些时分在装备检验不出铁的时分也是只管不断高炉风机,且风量调理接纳风门调理,如许就形成了电能的华侈。因为变频器具有软启动、软截至功用,启动电流小,可处理高炉风机启动时的大问题,再就是变频器能够节省电能,因而山西永恒工贸有限公司厂指导决议实施变频革新。
  2 高炉鼓风机工艺
  高炉因具有炼铁手艺经济指标优良,工艺简朴,生产量大,劳动消费服从高,能耗低等长处,这种方法消费的铁占世界铁总产量的绝大部分。高炉为炼铁环节中最主要的装备,它为横断面为圆形的炼铁竖炉,消费时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石),从位于炉子下部的风口吹入经预热的氛围。在高温下焦炭中的碳同鼓入氛围中的氧熄灭天生的一氧化碳和氢气,在炉内上升历程中撤除铁矿石中的氧,从而复原获得铁。铁水从铁口放出,天生的炉渣,从渣口排挤。煤气从炉顶排挤,作为热风炉、加热炉、焦炉、汽锅等燃料。
  高炉鼓风机是高炉最重要的动力设备。高炉冶炼流程如图1所示,它起首经由过程氛围过滤器在大气中搜集洁净的氛围,由高炉鼓风机加压后经热风炉进风口送入热风炉,再由热风炉对氛围停止加热后经高炉下部风口吹入,以包管高炉中熄灭的焦炭和喷吹的燃料所需的氧气,另外还要有必然的风压克制全部体系和料柱的阻损,并使高炉连结必然的炉顶压力。当代大、中型高炉所用的鼓风机,大多用三相异步电机驱动的离心式鼓风机和轴流式鼓风机。鼓风机耗电虽多,但启动便利,易于维修,投资较少。非常受用户的喜爱。高炉冶炼要求鼓风机能供应一定量的氛围,以包管熄灭必然的碳;其所需风量的巨细不只与炉容成反比,并且与高炉强化水平有关。普通按单元炉容2.1~2.5m3/min的风量装备。但实际上很多的高炉考虑到消费的开展,装备的风机才能都大于这一比例。

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  高炉鼓风机是高炉消费体系的动力中枢,一旦风机不能一般运转,不单影响消费,并且简单形成严重丧失;另外,调速体系事情的情况比力卑劣;以是,和高炉风机配套的高压调速体系计划应缜密详尽,颠末单方技术人员的协作,订定了高炉鼓风机的技术改造计划。
  3.1   450m3炼铁高炉风机及配套机电参数

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  3.2高炉变频革新手艺计划
  图2旁路柜中,共有3个高压断绝开关,为了确保不向变频器输出端反送电,K2与K3接纳电磁互锁操动机构,实现电磁互锁。当K1、K3闭合,K2断开时,机电变频运转;当K1、K3断开,K2闭合时,电机工频运转,此时变频器从高压中断绝出来,便于检验、保护和调试。
  旁路柜必需与下级高压断路器DL连锁, DL合闸时,绝对不允许操纵旁路断绝开关与变频输出断绝开关,以避免呈现拉弧征象,确保操纵职员和装备的安全。
  毛病分闸:将变频器“高压分断”旌旗灯号与旁路柜“变频投入”旌旗灯号串连后,并联于高压开关分闸回路。在变频投入形态下,当变频器呈现毛病时,分断变频器高压输入;旁路投入形态下,变频器毛病分闸无效。
  庇护:连结原有对机电的庇护及其整定值稳定。
  4高压变频器的制造
  4.1 单位级联式多电平变频器
  6500kW/10kV高压变频器接纳单位级联式多电平方法。因为此种变频器接纳多个功率单位串连的办法来实现高压输出,以是具有以下长处:
  (1)其输出凡是接纳多电平移相式PWM,能够实现较低的输出电压谐波,较小的du/dt和共模电压。

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  (2)输入凡是接纳移相隔离变压器实现多重化整流,以到达抑止输入谐波的目标。
  4.2 双移相变压器构造
  6500kW/10kV高压变频器的输入变压器接纳干式移相变压器,考虑到假如只做一个变压器,容量会比较大,体积也会很大,受变频器的搬运、安装以及安装空间所限;且因为变压器为干式的,散热处置也比力艰难,因而6500kW/10kV高压变频器接纳双变压器构造。每台变压器的容量为4000kVA,各自负担50%功率单位的供电。
  4.3 功率单位构造
  在一般10kV高压变频器的设想上普通接纳24功率单位构造,每相8个功率单位,每一个单位输出的功率为整机功率的1/24,因为6500kW/10kV高压变频器运转时输出功率太大,假如接纳24功率单位构造,那么单个功率单位内要求的滤波电容就会许多,功率单位的体积就会很大,综合思索6500kW/10kV高压变频器接纳30功率单位构造,单位输入电压为525V。如许不只会使变频器的高压输出更靠近于正弦波使输入谐波更低。并且单个单位接受的电压更低,更易于掌握。
  4.4 功率单位的冗余设想及“星点漂移”
  (1)30个功率单位构造上完全一致,能够交换,其电路构造如图3所示,为根本的交 - 直 - 交单相逆变电路,整流侧为二极管实现三相全波整流,经由过程对 IGBT 逆变桥停止正弦 PWM 掌握。每一个功率单位完整一样,能够交换,这不但调试、维修便利,并且备份也非常经济。假设一个功率单位发作毛病,该单位的输出端能主动旁路而整机能够一般运转。
  (2)星点漂移
  30个功率单位分为3组,每10个单位为一相。在一般状况下,三相输出A、B、C均衡,中性点即星点在O点。如图4所示,当A相有一个单位毛病时,把星点由O点转移到O1点,而B相和C相颠末运算,对O1的输出要与A相一致。使整机的三相输出仍然均衡。此功能称为“星点漂移”。

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  当呈现2个或3个单位毛病时,一样要颠末庞大的运算使三相均衡。现最多可做到3个单位毛病的星点漂移功用。这类单位的冗余设想大大的提高了变频器的稳定性。
  4.5 6500kW/10kV高压变频调速体系的可靠性设想
  为包管6500kW/10kV高压变频调速体系的高可靠性,在提高体系各组单位的内涵可靠性和体系抵御内部毛病身分的才能方面,次要接纳以下设想步伐:
  (1)上位操纵计算机接纳与主控计算机根本不异的软硬件设置,当主控计算机发作毛病时,能够在不停机的形态下,疾速交换,包管体系的可靠性运转。
  (2)控制系统由主控单位、PLC(西门子S7-200)、主控计算机构成,在主控计算机发作毛病时,体系不停机,确保消费的停止。
  (3)为了提高体系的抗干扰才能,所有的功率模块与主控单位之间经由过程光纤通信,高压和高压部门完整可靠断绝,所有I/O板局部接纳了断绝步伐,将通道上窜入的滋扰源回绝在体系以外。
  (4)控制器构造上接纳箱体构造,各掌握单位板接纳FPGA、CPLD等大规模集成电路和外表焊接手艺,体系具有极高的可靠性。
  (5)只管接纳低功耗的CMOS元器件提高体系的温度适应能力,低落功耗。
  (6)电源体系完整接纳开关电源手艺,各部分功用单位接纳自力的供电步伐,包管在某一部门发作毛病时,其他部门仍能可靠运转。
  (7)选用各类电阻、电容器及集成电路、断绝器件时,对其耐压才能留有较大的余量,对集成电路的拉电流、灌电流才能利用,也留有充足的余量。
  (8)输入干式变压器免保护,可靠性高。
  (9)多级模块串连,器件事情在高压形态,便于接纳成熟手艺,不容易发作毛病。
  软件可靠性步伐:全部软件开辟历程按正向设想停止,底层及时控制系统为自行设计和编写,确保全部体系中没有不清楚的部门,资本分派留出很大裕度。全部体系的构成软件颠末严厉测试,穷尽各类毛病能够,确保体系不死机,不出毛病。对所有接口干系严厉界说,且均设立不法进入和退出处置步伐。
  5 变频器的安装
  高炉鼓风机作为钢铁厂最为枢纽的装备,它的停机轻则会招致铁厂的停产,重则会招致变乱发作,以是必需要包管高炉鼓风机的不变运转。
  5.1 变频器的现场散热处置
  大功率变频器作为一个比较大的发热源,它运转时的散热就显的尤其主要。高炉鼓风机位于高炉四周,四周的粉尘量比较大,特别是导电性粉尘,以是在挑选变频器的冷却方法上只要以下两种:(1)风冷和空调共同利用;(2)为液体冷却(普通为水冷)。
  因为高压变频器中需求冷却的元器件均为导电体,因而在设想液体冷却系统时必需接纳直接液体冷却,这使得冷却系统的设想极其庞大,且本钱高;又由于液体冷却系统一处出问题有可能招致全部冷却系统的瘫痪,以是稳定性也低。
  相反,风冷具有:(1)设想简朴;(2)能够接纳冗余设想;(3)与空调冷却共同利用,能够使变频器的运转情况相对封锁,包管变频器的卫生。
  综合思索,我们在6500kW/10kV变频器的冷却方法上挑选了风冷,并共同空调冷却利用。
  一台完好的高压变频器分为四部门:旁路柜、变压器柜、功率单位柜和掌握柜。变压器柜和功率单位柜险些占了整机局部的发热量。变压器柜相对功率单位柜所要求的运转情况要低的多,并且这么大的变频器,内里移相变压器的发热量也不小,为了节流空调利用数目,在变频器结构设计上接纳变压器柜和功率单位柜分隔安排的办法。
  详细办法为:变压器柜与功率单位柜中央离隔700mm的间隔,变频器安装完成后中央接纳隔热材料离隔,如许就使得一台变频器放在两间屋子里了。变压器柜与旁路柜在一起并接纳自愿风冷,然后再在变压器柜顶安装风道,搜集变压器的产热间接排到安装情况以外;功率单位柜与掌握柜在一起安装在一个相对自力且封锁的房间里,也接纳自愿风冷,并在房间内安装空调来低落环境温度,包管功率单位柜及掌握柜的运转情况。
  安装空调时为了包管变频器的安全运转要求空调有充足的制冷量且不足量。由于没有变压器的热量,以是根据变频器额定功率3%的发热量来设想空调:
  6500×0.03=195(kW)
  现场实践安装空调数目为8台制冷量为24kW的空调,单台空调是自力的,如许包管单台空调呈现问题是不会影响机械的运转。
  实践运转状况为在炎天气候最热的几天里,同时7台空调运转,就能把环境温度掌握在27℃阁下。
  5.2上位机掌握
  由于高炉鼓风机压力操纵比力频仍且精度要求比力高,综合思索后变频器掌握方法采
  用上位机掌握,接纳RS-485网络与变频器通信。上位机掌握方法掌握变频器的运转频次比模仿量掌握更精确,使高炉压力的调理愈加准确,做到高炉压力完整无颠簸调理,且能及时记载变频器的运转数据并保留以供需求时查询。进一步包管高炉的不变运转。
  5.3 毛病自复位
  为了在变频器毛病时能最大限度的削减丧失,变频器增长了毛病自复位功用,在变频器不竭高压电的状况下,经由过程软件或毛病复位按钮设置能让变频器毛病自复位。这能够使变频器呈现毛病后以最快的速度再次投入运转。
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  6500kW/10kV高压变频器在山西永恒工贸高炉鼓风机正式投产日期为2010年5月5日,至本文完成时已安全无毛病运转半年不足。高炉鼓风机变频革新后显现出以下长处:
  6.1节电结果较着
  在变频器没有安装从前高压机电接纳定子串水电阻启动,风压经由过程风门调理。如许机电始终运转在额定形态,变频器安装当前风门全开,风压经由过程调理变频器频次实现。实现了节电的目标,上面对节电量作定量分析。

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  定量计较:电价按0.45元计较,一年运转工夫按330天。
  电机工频年耗电量:
  W工=1.732×10×366×0.9×24×330
  =45185247.36(度)
  变频器耗电量:
  W变=1.732×10×270×0.95×24×330
  =35185233.6(度)
  空调最大耗电量:
  W空=1.732×380×17.5×0.85÷1000×7×24×330
  =542764.807(度)
  年节省用度:
  F= (W工-W变-W空) ×0.45
  =(45185247.36-35185233.6-542764.807) ×0.45
  =9457248.953×0.45
  =4255762(元)
  综上所述,变频革新后,节能结果长短常明显的。
  6.2 变频器软启动功用处理鼓风机启动成绩
  永恒工贸一共有三个厂区:铁厂,烧结车间和钢厂。三个厂区公用一个变压器,变压器容量为25000kVA。而6500kW/10kV高炉鼓风机利用定子串水电阻方法启动,启动时打击电流大,连续时间长,这使得在铁厂高炉鼓风机启动时必需让烧结车间与钢厂截至消费,把所有的大型用电装备停掉,然后才气启动。如许麻烦的启动方法以致在装备检验不出铁时也只管不让高炉鼓风机截至,这不仅让机械的检验不方便也无形中形成了大量电能的华侈。
  用上变频器当前,变频器动员机电从0.5Hz软启动,启动电流不超过额定电流,不只让高炉鼓风机开停机极其便利,也节省了电能;还减小了启动时对机电、风机及全部高炉体系的打击。
  6.3 减小机电振动及乐音
  6500kW机电因功率大,运转时乐音净化出格严峻。可是高炉鼓风机作为主要环节必需24小时有人监护,这类情况必将要给工人的身心健康形成严峻损伤。最大限度的减小机电、风机的振动,不单能改进监护人员的事情情况,还能耽误装备期限,削减装备故障率及保护、维修用度。
  上面表5是用变频前后高压电机轴振动幅值:

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  由以上数据可知,利用变频器可有用削减装备振动,从而低落乐音,削减装备维护费用。
  6.4变频器的其他长处
  (1)飞车启动功用:可以辨认机电的速度并在机电不停转的状况下间接起动。
  (2)矢量掌握手艺和载波移相掌握手艺:接纳高速DSP作为中央处理器,运算速度更快,让掌握更精准。
  (3)扭转中再启动功用:运转历程中高压瞬时掉电三十秒钟内规复,高压变频器不停机,高压规复后变频主动运转到掉电前的频次。
  (4)运转历程中内部频次给定旌旗灯号呈现毛病(短路或开路),整机保持毛病前的运转频次稳定,给出报警旌旗灯号。
  (5)参数自整定功用:不必手动设置,自辨认机电参数,适配于一般异步电机。
  (6)整机旁路功用:在变频器整机呈现毛病时,变频器能供给工频旁路,让体系持续运转。
  7 结束语
  高炉鼓风机颠末变频革新后,不只到达了优良的节能结果,而且使整套高炉体系的稳定性提高了一个台阶。这是海内为数不多的超大功率高压变频器在高炉风机上的使用,革新是极其胜利的,也说清楚明了国产高压变频器曾经具有了消费超大功率高压变频器的手艺。
  跟着国度对节能减排事情的愈来愈正视,企业经由过程各类步伐低落生产成本,此中变频手艺起到了枢纽感化,取得了较着的经济效益和社会效益,顺应了国度建立资本节省型社会的潮水。

 

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