高压变频器与炼钢厂引风机

国产高压变频器在炼钢厂引风机上的应用专家点评：变频器技术是当今公认的节能效果显著的传动技术，目前在这个领域内国内市场基本上是被国外产品所占领。本应用报告有两点是引人注意的。1：大胆选用国内品牌产品，用户既节省了设备投资，又支持了民族工业的发展壮大。2：本应用报告既有一般性概述分析，又有详细的数据记录与对比，令读者对其使用效果一目了然确信不疑，达到了典型应用的范例作用。在上个世纪八十年代末，交流变频调速逐渐登上了工业传动调速方式的历史舞台，并演变到日趋取代直流调速方式传动的程度。尤其是矢量控制和直接转矩控制技术在通用变频器中的运用，以及政府部门在“十五”节能规划中目标的提出，都加速了通用变频器和国外大功率高压变频器在我国各行各业的使用规模和改造力度。在2003年，仅北京一家专业代理国外自动化产品的公司富士通用变频器产品一项的销售额就超过了2个多亿。我国变频器研发、生产的起步比较晚，尤其大功率高压变频器的研制工作在上个世纪九十年代中期以前还是个空白。直到上个世纪末，我国自主知识产权的国产高压变频器样机陆续在各地试运行，但由于民营企业项目运作资金不足——许多关键器件采用了国内性能不高的产品以及我国国内还不具备高水准的产品试验平台系统和环境，造成了国产高压变频器刚上市头两年就遭遇了运行不稳定甚至模块爆炸的惨败。由于高压变频器的开发和研制是一种耗资巨大的项目，在这个领域不会形成象低压通用变频器领域那样百家争鸣的局面；哪家公司的产品能够稳定运行，有扩大再生产的资金即产品的产业化发展，并且价格最低，哪家就占领了国内风机、泵类负载传动的市场。一、浅谈节能变频器这一交流调速产品本身属于工业自动控制产品中传动调速产品的范畴，21世纪交叶，这一产品被冠上了“节能产品”、“绿色产品”乃至“绿色节能产品”等，产品的宣传在广告词方面可谓得到了淋漓尽致的发挥。我们大家都知道：风机、泵类属于二次方递减转矩的负载性质，在应用变频器改造时（包括变频器的选型，以及EMC这种节能回报的还款方式），有两种常见负载需要被列为特殊考虑的负载：罗茨风机和油田二次开采时使用的柱塞泵。对于二次方递减转矩的这种性质负载，其流量与负载的转速成正比变化，压力（扬程）的变化与流量的变化成平方关系，而其功率的变化则与流量的变化成立方关系；调节负载大小的各种方式（手段）的能量需求效果比较图中，变频器调节方式的能量需求最小，其曲线最接近负载能量需求的理想曲线。在实际应用和节能分析中，还不能简单的依赖流量、压力（扬程）和功率这三者之间的变化关系，还要考虑到负载的选型（如鼓风机负载的1.15倍选型和引风机负载的1.3倍选型）、负载的平时工况、工况的变化趋势、负载变化时引起的负载效率和功率因数等参数的变化等；节能分析的结果往往不是一个准确的数字，只是提供给客户的一个参考，准确的结果应通过工频和变频的对比测量结果得到。在通用变频器销售初期，对变频器的节能效果还普遍认识不足，在给客户所做的负载变频改造技术方案中，一般都将变频调速后的节能分析写进去并着重强调；没有几年的工夫，通用变频器就被推广开来。各种现场现在在引进变频器做技术改造时，已不太怀疑变频器是否节能这一点了，更关注的是变频器改造的可行性分析和自动控制在技术方面的如何实现。变频器本身就是一种交流传动的调速产品，其主要功能是进行负载的转速调节，实现负载传动的自动化控制，至于提高生产的过程控制水平、提高生产效率、软启动控制、负载设备寿命的延长以及风机、水泵和压缩机类负载的需求电能的节省等这些都是应用变频器的结果，都属于变频器应用的“副产品”。“节能”等相关的词汇在产品的销售过程中是经常容易被使用到的一个词汇，也成了产品销售时侧重的“卖点”之一。国产高压变频器在刚上市的这几年在某些方面也重复走着低压通用变频器的销售之路。所谓的“节能”，用一句最简单的话说就是：“你需要多少，我就给你提供多少！”二、HIVERT—Y系列高压变频器在东钢现场的改造太钢集团东方钢铁有限公司和北京合康亿盛科技有限公司武汉分公司在2003年年底签署了两台6KV630KW的风机、泵类负载专用的HIVERT-Y型变频器的购销合同，用于东钢动力公司1#、2#电炉除尘风机的改造。本项目4月7日正式上马，4月30日结束。HIVERT—Y系列变频器简介HIVERT—Y系列高压变频器是风机、泵类负载专用的高压变频器，由北京合康亿盛科技有限公司自主开发、研制和生产的多单元串联电压源型高压变频调速装置，该装置广泛适用于城市供水、石油、化工、电力、冶金、水泥和制药等需要调速、自动控制或软启动等场合。其主电路连接图如图一所示；该装置为每相5单元结构，其性能有如下特点：电网电压适应范围广，能够满足＋10％～－20％电压范围而满载运行；控制电源双系统供电，确保产品安全可靠性；全中文真彩液晶触摸屏显示，更适合中国用户使用习惯；瞬时过电流限制功能（不掉闸功能）；瞬时停电跟踪功能；内置PID，AVR功能；输入、输出接口数量多，控制方式灵活；标准通信协议，便于用户集中控制；波形完美，功率因数高；无须更换用户普通电动机，也不必降容使用；并可根据用户要求做特殊设计。图一主电路电气原理图1#、2#电炉除尘风机的变频改造东钢动力公司1#、2#电炉除尘风机的电机功率均为630KW。以往工频工作时，风机档板始终在全开位置，很少进行引风机风量的调节，只是在启动电机和正常停机时才进行档板的操作；由于炼钢是一个周期性很强的工艺过程，有些工艺过程只会产生少量的烟尘，不需要风机满负荷运行。这种情况的存在必然浪费了大量的电能，电量使用情况也是炉前炼钢作业班组进行成本考核的重要指标之一。我们在东钢动力公司进行的高压变频改造受到了该公司上下广泛一致的认可和支持。如何既不污染环境，又能最大限度地节约电能呢？我们进行的除尘系统高压变频改造主要有如下几方面内容：首先是主电路方面为了充分保证系统的可靠性，1#、2#系统拖动除尘风机电机的每台HIVERT型高压变频器均设有旁路柜。当变频器需要检修或出现故障时能将电机投入旁路运行，以最大限度保证不影响现场生产为原则。上位通讯方面HIVERT型高压变频器采用RS485通讯接口。安装在除尘现场操作室的上位系统有如下功能：启动、停机（包括减速停机和自由停机）、高压分断、频率设置，变频器参数的设置和运行参数的实时监视以及变频器运行状态的监视等。远程给定方面我们根据炼钢的工艺过程设置了五步频率的远程给定，并且每步频率均有指示，各步频率之间可直接切换。炉前控制室的操作工可根据生产的工艺需要自行确定频率的给定值，现已设定的五步频率的给定值分别为：15HZ、20HZ、25HZ、35HZ、50HZ。变频器的本地操作具有变频器的所有功能，远程启动和现场停机以及模拟参数的输入、输出等功能在改造时为客户预留，客户可根据生产实际需要与合康亿盛技术支持部沟通后自行使用。1#、2#除尘系统变频改造后的节能情况为了比较改造后的节能效果，我们分别将改造前每台电机工频运行时的使用电度数和改造后的每台电机变频运行时使用的电度数记录下来；为了使计量的准确性，我们在记录时选取生产正常运行、连续作业，且有代表性的时间段和数值。表一我方记录的每台电机的电度发生情况由上表可知，1#电机工频运行时每小时功耗为15.98×1800÷48=599.25kw变频投入后每小时功耗为8.83×1800÷48.72=326.23kw节电率为（599.25－326.23）÷599.25=45.6％同理，2#电机工频运行时每小时功耗为18.29×1800÷48=685.86kw变频投入后每小时功耗为9.6×1800÷48.72=354.68kw节电率为（685.86－354.68）÷685.86=48.3％由上面计算结果可知，两台除尘风机变频改造后的节能效果非常明显，都超过了45％，并且2#除尘风机的效率比较高，相比而言运行在最佳工况点。下面我们利用现场记录的日报表计算一下设备的投资回收期情况。表二除尘现场1#、2#电机总电耗日报表表三峰电、平电、谷电的时间规定和相应电价表二中的数据为1#和2#除尘系统4月22日截止到5月1日电能的消耗情况。炉前班组电费成本是按月进行计算的，但是我们通过随机局部取样，也能够大概反应出1#和2#除尘系统变频改造后的节电情况。由于4月27日中班和夜班进行了高压变频器的调试和投运，当天电能的消耗在进行样本初步计算时不宜考虑在内，我们做一下22日到26日的工频消耗和28日到5月1日变频消耗两种情况的比较。计算如下：1#和2#除尘系统工频运行时每天平均电耗（13025+10411+13368+13014+12386）÷5＝12441元1#和2#除尘系统工频运行时每天平均电耗（7720+7241+7798+7596）÷4＝7589元相当于变频改造后平均每天节约电费12441－7589＝4852元节电率4852÷12441＝39％由于总电度表除计量1#和2#除尘系统电机电能消耗外，还有其它一些小功率耗电设备，在做节电率计算时会和单台计量时的节电率计算有些出入。由于节电效果明显，即使以东钢动力公司现场记录的数据为依据，也能在一年内收回这两台变频设备的投资。变频改造后的一些其它数据我们先观察一下表四和表五记录的一些数据。表四不同频率下的电机数据记录日期：2004—4—28运行频率输入电压输入电流输入功率输出电压输出电流输出功率15HZ6475V3.22A18.7KW2058V36.52A15.9KW20HZ6432V4.63A51.7KW2719V36.39A50.8KW25HZ6447V7.85A151.9KW3360V36.11A150.1KW35HZ6460V16.15A334.0KW4437V37.82A331.1KW50HZ6465V47.93A621.5KW6056V59.71A614.9KW由表四可以看出，在低频时，变频器的输入电流和输入功率远远小于工频运行时的额定值，从事实数据上又一次印证了变频器的节能原因和效果。表五的数据说明，由于变频改造后电机的电流和功率大大减小；且由于HIVERT变频器电压、电流波形完美，趋于正弦波，谐波分量小，由谐波引起的杂散损耗增加很小，电动机绕组的温升比末投运变频器时略有降低。表五变频改造前后主轴和绕组温升情况环境温度：25℃结束语由于制造领域存在诸多方面的差异，我国在民族工业领域虽然掌握了某些世界高端技术，我国的国产高压变频器相比进口的国际知名品牌的高压（中压）变频器产品在性能上还有一定的差距，但针对传动控制比较简单的风机、泵类负载而言，价格偏低、针对中国使用环境设计和人性化的服务体系等特点的国产高压变频器具有更广阔的发展空间。