摘要：本文分析了高压变频器在某炼钢厂电弧炉炼钢除尘风机中的应用。实践证明，高压变频器对降低除尘风机的用电率、减少起动电流、提高功率因数、改进电弧炉炼钢工艺水平、提高自动化水平有很好的应用前景。
关键词：高压变频技术；除尘风机；节能
一、概述
    电弧炉炼钢是一些钢铁厂造成烟尘污染的主要来源之一。在冶炼过程中，炉口会排出大量棕红色的烟气，烟气温度高、含有易燃气体和金属颗粒，按照我国1996年颁布的《大气污染物综合排放标准》（GB16297一1996），对烟气必须冷却、净化，由引风机将其排至烟囱放散或输送到煤气回收系统中备用。因此，每座电弧炉需配有一套除尘系统。
    冶炼过程是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢的方法。电弧炉以电能为热源，可调整炉内气氛，对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利。电炉钢以废钢为主要原料，熔制出碳钢或不锈钢钢水供炼铸用。电弧炉炼钢时产生的有害物污染主要体现在电炉加料、冶炼、出钢三个阶段。电炉冶炼一般分为熔化期、氧化期和还原期，其中氧化期强化脱炭，由于吹氧或加矿石而产生大量赤褐色浓烟。在上述三个冶炼期中，氧化期产生的烟气量最大，含尘浓度和烟气温度最高。因此，电炉除尘系统按照氧化期的最大烟尘排量进行设计。在系统最大风量需求的基础上增加1.1~1.3倍的安全裕度进行除尘风机选型设计。整个炼钢过程中吹氧时30~35%，此时风机处于较高负荷运行，而其余时间则处于较低运行工况。很显然，除尘系统的利用率很低且系统效率差。电弧炉炼钢主要分为以下阶段：
装料  补炉完毕后，移开炉盖，用料筐从炉子顶部把炉料装入炉内。不易氧化和难熔的合金料如镍等可与废钢同时装入。
炉料的熔化  装好炉料，合上炉盖后，即降下电极到炉料面近处，按通主电路开关，将电极调节系统的转换开关放到自动控制位置，以次高级电压通电起弧。
吹氧助熔  电弧暴露在熔池面上并降低输入功率后，可即向熔池吹入氧气，以加速废钢的熔化。
精炼  精炼就是把对钢质有害的一些元素和化合物，尽可能地从钢液中排除掉。
出钢  就是将成分和温度符合要求的钢水倒出，以便铸造之用。
补炉  上一炉的钢水和钢渣出净以后，立即把被侵蚀的炉衬补好。补炉动作要快，以便用炉内的残余高温，将补炉料和原炉衬烧结在一起，并可减少热损失，节约电能。
    长期以来，不论电炉处于哪一个运行阶段，产生的粉尘大小均使除尘风机全速运行，采用入口挡板开度调节，效率低、功率大、造成大量的电能浪费。随着市场竞争的不断加剧，节能降耗、提高生产效率成为企业发展提高竞争力的有效手段之一。
　　 在九十年代后期，随着电力电子技术、微电子技术、光电子技术的不断发展和矢量控制技术的不断完善，其中各种拓扑结构的高压变频器相继在应用市场上出现，尤其在最近几年，在技术和应用领域上得到不断的进步和拓展，其中，多重化完美无谐波矢量控制高压变频器以其功率因数高、无谐波（输入谐波小，对供电电网无污染；输出谐波小，电机附加发热和转矩脉动小）可*性高而受到越来越多的用户欢迎，现已广泛应用于电力、冶金、化工、建材等领域。
　　湘钢某炼钢厂正是在这种状况下，对电弧炉除尘系统进行高压变频技术改造研究的。该电弧炉除尘系统结构如下图一所示。电弧炉在冶炼过程中的粉尘主要通过炉顶烟道经沉降室沉积，水冷壁冷却后经除尘系统过滤排放；同时利用集尘罩将现场生产车间的粉尘和废气及时排走，以免危及电弧炉周边工作人员的安全、污染环境。除尘风机是将烟气吸收排放的主要设备。

图 1   电弧炉除尘系统结构

二、系统技术方案设计
　　湘钢某炼钢厂70t交流电弧炉。除尘器系统采用布袋式除尘器，最大除尘风量160000 m³／h。
　　电炉的炼钢周期为70~85分钟，其中装料5~8分钟，送电熔化20~25分钟，吹氧25~28分钟，还原期12~16分钟，冲渣出钢5~7分钟。在不同的生产工艺阶段，电弧炉产生的烟气量和烟气温度不同，且差异较大。加料过程中，主要是装料时废钢及渣料产生的扬尘，需要的除尘风量不大，要求粉尘不扩散，不污染电炉周边工作环境为标准。送电过程中是原料送电拉弧加热，引发可燃废弃物燃烧产生废气。此时，电炉需要将炉料加热至熔化状态，要求烟尘能够及时排出，又不能过多的带走炉体热量以保证炼钢周期。而在吹氧期间，不仅要求除尘系统能够及时迅速地将炉口大量棕红色的烟气和粉尘排走，又必须保证炉体有合适的吹炼温度，确保终点温度。因此，对除尘系统要求较高。进入还原期，吹氧告一段落，粉尘度再一次降低。在冲渣出钢时，主要排放物是冲渣产生的水蒸汽和少量废气。
　　通过对冶炼工艺的分析：电弧炉在炼钢过程的不同阶段对除尘风量的大小有明显的不同，以吹氧冶炼为最大，加料除尘为最低。通过对电弧炉除尘系统中除尘风机的运行方式和过程的分析，对除尘风机的控制设计于下方案。
2．1 设备参数：

风机参数

风机型号：AY-FR2760
流量：160000m³/h
风压：3500Pa
轴转速：730r/min

轴功率：1470Kw

电机参数

电动机型号：YKS650-8

额定电压：：6000V

额定电流：189A

额定转速：736r/min

变频器技术指标

型号：SH-HVF-Y6K/1600

额定容量：2000kVA

输入电压：6000V

输出电压：0~6000V
额定电流：200A

输出频率：0~50Hz

2．2 系统电气构成
　　根据现场生产工艺情况，选用湖北三环发展股份有限公司研究开发生产的高压变频器作为主件，该变频调速系统具有谐波含量小，功率因数高、模块化结构、可*性高等特点。除尘风机电气系统的主接线结构图如图2所示。6kV电源通过母线段网侧高压开关DL接入系统，采用多重化移相干式隔离变压器进行电源侧电气隔离，以减小对电网的谐波污染；变压器输出经功率柜逆变输出后直接驱动三相异步电动机，实现除尘风量的控制。为保证整个除尘风机系统可*性，系统设计中我们还采用工频旁路。当系统变频运行时，断开隔离开关K3，合隔离开关K1、K2。K2与K3之间还设计了机械互锁，在变频器运行时绝对保证K3不可以误合闸。在变频运行时，由远程PLC起停变频器；转速由微机控制系统给定，实现除尘风机的转速和风量控制。当变频器出现故障时，系统切换至原工频运行方式；断开隔离开关K1、K2；合隔离开关K3。由原除尘系统启动风机，入口挡板控制风量。

                        图2  系统结构图

2．3 系统控制方案

由于不同工艺阶段的烟气温度有明显差异，因此温度的高低直接反映了电炉的运行工况。系统并没有采用检测电炉工作中粉尘浓度的方式来直接控制除尘风量，而是采集烟道温度作为系统调节的基本参量，通过计算机进行计算和综合输出4~20mA电流作为高压变频器的频率给定信号系统控制。同时，以吹氧量和冷风门开度作为除尘风量的修整参量，从而提高系统响应速度、改善控制品质、达到良好的除尘效果、实现除尘风量自动控制、降低运行人员劳动强度、提高系统效率，达到最佳的节电效果。具体的控制逻辑见图3所示。为了保证系统的可*性，另外增加了除尘风量手动控制回路，对除尘风量的控制采用分段调速的方式由炉前操作台控制变频运行的频率点，从而实现不同运行工况下的风量调节。控制逻辑图如图四所示。

图3     手动控制示意

实践证明：系统在设计了两套控制方案后大大提高了系统的实用性和可操作性，很好的满足了现场生产要求。同时，在改善现场工作环境，提高产品质量，降低吨钢能耗方面起到了积极作用。
三、系统特点
   变频调速技术在电炉除尘系统中应用后，主要体现了以下几个特点：
1、提高了功率因数，大大降低了起动电流（起动电流从1200A左右降到不足30A），实现了最佳的软起动。
2、除尘设备功耗随电炉炼钢生产工艺变负荷运行，提高了系统效率；取得显著的节能效果。
3、降低了除尘系统用电负荷，减少了直接起动对电网的电流冲击，同时也减少了对电机、除尘风机的冲击，延长了除尘器、除尘布袋、除尘风机、除尘电机、烟道等设备的使用寿命。
4、对降低炉内热量损失，合理控制过程温度，做到炉温控制的最优化。
5、对除尘系统进行变频改造，缩短炼钢时间，提高钢的品质。
四、节能分析
　　为了对除尘系统变频改造后的效果进行评价，在系统投入正常运行1个月后对设备实际使用和节电情况进行了测定和数据分析。
　　对变频改造后的节能情况进行统计分析,将除尘风机切到工频连续运行72小时，统计这段时间的耗电量和炼钢量;再将除尘风机切到变频工况下连续运行，按同样的方法统计这段时间的耗电量和炼钢量。

变频运行参数

表1

   变频运行和工频运行对比

                表2

通过对统计数据的分析处理，我们可以得出于下结论：

1、         除尘系统在变频改造后，功率因数从0.83左右提高到0.973;

2、         吨钢除尘电耗降低了16.4kW/h，设备节电率高达59.3%，节能效果显著；

3、         年节电量高达593万度，年节电收益高达225万元；

4、         项目总体投资额为178万元，15个月即可收回投资，设备使用寿命长达10年，项目总体收益高达1800万元以上。

参考文献:
[1] 沈才芳等编著．电弧炉炼钢工艺与设备（第2版）．北京：冶金工业出版社，2001
[2] 湖北三环发展股份有限公司  SH-HVF系列高压变频器手册