钢轧一分厂炼钢区混铁炉除尘风机变频改造节能分析

钢轧一分厂炼钢区混铁炉除尘风机变频改造节能分析

常成

中天钢铁集团有限公司 江苏常州 213000

摘要：三相异步电动机广泛应用于各行各业，它的正常运行直接关系到众多大型设备的安全运行，在生产中起着非常重要的作用，电动机的能耗直接影响到公司的经济效益。随着工业的不断发展，三相异步电动机的需求会越来越大，它的应用也会越来越广泛，其在制造及控制的绿色节能方面的技术也会越来越先进。本文针对三相异步电动机运行效率低、能耗严重的问题，分析了三相异步电动机节能的原理及常用的节能技术与措施，主要包括电机的选型和节能改造、提高功率因数、调速节能等，并着重介绍了目前比较先进的电机节能技术-变频器调速节能的原理、方法及工业生产中三相异步电动机的节能实际应用。

关键词：三相异步电动机；节能；效率；变频器

钢轧一分厂炼钢区设置了两座混铁炉，且有一个倾翻工位和一个大包倒小包（炉外翻铁）工位。每座混铁炉设有一个进铁口和一个出铁口，倾翻工位相当于混铁炉出铁口。当混铁炉进铁或出铁时，高温的铁水会同空气发生剧烈的化学反应，产生大量的烟气。一方面对现场操作的工人身体健康不利，另一方面也对环境造成了巨大的污染。混铁炉多种进出铁工况条件下风量随时变化，因此该除尘风机需要多种速度来适应。在以前的运行过程中，由于一方面液力耦合器不能适应频繁的调速，另一方面原设计现场阀门信号与风机调速控制分属两个控制系统，两者之间没有信号联系。因此原有除尘风机运行方式基本为恒速运行，其运行转速保持在约680rpm左右，运行电流约在150A，仅通过现场阀门及炉盖开启来达到除尘效果，同时为防止阀门全部关闭造成风机振动过大，其中一台大包倒小包阀门始终打开，大量风量直接排空，导致大量有功功率浪费。此外液力耦合器低速运行时效率低下，为了提高风机的运行效率，节能降耗，必须对风机调速控制进行改进。经过考察，我厂最终选择了深圳英威腾(invt)电气股份有限公司生产的GD5000系列高压变频器对风机进行调速控制。

1、混铁炉除尘工艺工况及主电机参数介绍

混铁炉除尘风机工况：

混铁炉系统除尘设计风量：66万m³/h

风道漏风损耗率设计： 10％

进铁水（或大包倒小包）除尘需要风量：25万m³/h

出铁水除尘需要风量： 6万m³/h

进铁水除尘需要时间：约10分钟/次

出铁水除尘需要时间：约3分钟/次

日出铁水总次数：约180次

日进铁水总次数：约120次

进铁时，当捕集罩关到位后，相应的阀门打开。出铁时，混铁炉离开零位后，相应的出铁口阀门打开。

混铁炉除尘风机主电机的技术参数如下：

电机型号：Y710－8

额定功率：1600kW

额定电压：6300V

额定电流：183.2A

功率因数：0.84

2、工艺要求：

现场提供具体工作情况分为以下6种：

　　1）一个进铁口工作需要25万m³/h；

2）一个出铁口工作需要6万m³/h；

　　3）两个出铁口同时打开需要风量12万m³/h ；

4）一个进铁口一个出铁口同时打开需要风量31万m³/h；

　　5）一个进铁口两个出铁口同时打开需要风量37万m³/h；

　　6）两个进铁口同时打开需要风量50万m³/h。

3、高压变频调速系统改造方案：

（1）GD5000系列高压变频器的原理：采用高-高电压源型单元串联多电平技术,电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，1600kW/6kV高压变频器每相由5个功率单元串联而成，输出相电压最高可达3500V，线电压达6kV左右。每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/5相电压和1/15的输出功率，为单相输出的交直交PWM电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为5个不同的相位组，互差12度电角度，形成30脉冲的整流电路结构。本项目共配置1台高压变频器，其详细参数如表3-1所示。

变频器厂家/型号	invt GD5000
适配电机功率	1600kW/6.3kV
额定输出电流	200A
输入功率因素	0.95(带负载20%以上)
变频器效率	额定负载下＞0.96
输出频率范围	0.5Hz到50Hz
输出频率分辨率	0.01Hz
过载能力	120%1min,150%1min
模拟量输入	1~10V/4~20mA,任意设定
模拟量输出	1~10V/4~20mA,可选
加、减速时间	0.1~3000s
控制开关量输入/输出	4路输出/4路输入
冷却方式	风冷
柜体防护等级	IP31

表3-1 invt GD5000高压变频器参数表

(2)变频器主回路设计方案：由于风机进风口没有风门，因此这次改造没有安装工频旁路柜。即用户电网直接接高压变频器，然后接电机。

（3）根据混铁炉的工艺要求，在满足除尘环保要求的前提下，为简化控制逻辑，现场PLC直接根据出铁口、进铁口的炉盖位置开关状态来控制变频器的转速，变频器预设3个速度点，根据现场所

需风量不同自动调节电机转速。现场送6个开关量信号进PLC，在

程序内编程以达到变频器高、中、低速运行。如表3-2所示。

表3-2 混铁炉各除尘状态下的风机转速表

状态说明：0 风口关闭；1 风口打开；/ 任意状态

（4）整体施工方案：

　　由于之前设备使用液力耦合器，考虑到风机运行的稳定性，因此拆除液力耦合器，将电机向前移位采用直接连接方式；对电机移位后与风机直联的磨擦片接手重新定制，重新制作钢底座作为电机基础，同时为确保设备投运后的安全，应确保安装的精度，保证电机与风机之间的同心度≦0.05mm。

高压变频器主设备安装在除尘变频器室内，高压柜至变频器进线电缆及变频器至电机高压电缆重新敷设，同时敷设现场PLC柜至

变频器控制柜3根屏蔽控制电缆用于变频器的远程启动、停车和采

集现场阀门状态信号，实现变频器三段速的自动调节及变频器信号的反馈。此外另敷设一根高压柜至变频器的控制电缆，用于高压柜合闸允许和高压柜紧急分闸控制。

由于高压变频器的IGBT等功率元器件对环境温度要求比较高，同时本项目变频器功率较大，为了防止因温度高而引起变频器的保护停机，我厂采用以下措施来防止室温过高：柜顶加装排风管，使变频器自身产生的大部分热量通过排风系统释放到室外；改装现有的窗户，进行双层玻璃保温；加装一台10匹的工业风冷空调。

（5）节能测算

表3-3 上变频器前后的相关参数统计表

以前工频用液偶调速状态下除尘风机的功耗计算：

P_d= *U*I*COSφ= *6.3*150*0.8=1309.4kW

以年运行时间7920小时（约330天）、电价0.5元/度计算，工频下每年耗电量约为1037.4万度，每年消耗电费约为518.5万元。

变频状态下除尘风机的功耗计算：

高速运行时 转速为667rpm,考虑到有可能两座炉子同时进铁水许同时除尘，预计每天高速运行时间约为12小时（包括变频器加速时间），则：

P₁= *U*I*COSφ= *6.3*110*0.95=1140kW

中速运行时 转速为520rpm,考虑到至少有一个出铁状态，每天预计运行10小时，则：

P₂= *U*I*COSφ= *6.3*45*0.95=466.5kW

低速运行时 转速为300rpm,在不除尘时，只要保证正常的工作环境和能够保证正常提速至除尘状态即可，每天预计运行2小时，则：

P₂= *U*I*COSφ= *6.3*4.4*0.95=45.6kW

仍以年运行时间7920小时（约330天）、电价0.5元/度计算，则使用变频后每年耗电量约为697.4万度，每年消耗电费约为348.7万元。

综上所述，混铁炉除尘上高压变频器后较以前工频液力耦合器调速每年预计可节约电量约339.6万度，每年节约电费约169.8万元，经济效益巨大，对于我厂吨钢降本有着很大的功劳，达到了我厂降本增效的预期目标。同时还产生了其他良好效果：

　　1）限制启动电流，减少启动的峰值功率损耗；

2）改善电网功率因数，变频器可使系统的功率因数保持在0.95以上；

　　3）消除了电机因启动、停止对机械的冲击，延长使用寿命，减少维修；

　　4）可使电动机与风机直接相连接，减少传动环节的费用；

　　5）电机和风机运转速度下降，润滑条件改善，传动装置的故障下降。

综合看来,本套高压变频器的投入，对提高我厂电能的使用效率，降低公司的生产成本，保证混铁炉除尘风机的安全运行以及生产工作自动化程度的提高有着积极、重要的作用。可以说这是一个产品适用性强,投资回报快的绿色节能科技项目。

4、结束语

本文通过分析了三相异步电动机的节能原理和节能技术及其应用，总结得出节能技术的运用对于三相异步电动机的使用具有积极的意义。因此，使用节能技术来提高三相异步电动机的效率非常必要，不仅如此，还可以建设低碳社会，构建良好的生活环境。通过该课题的研究，对我今后在工作上帮助很大，同时希望借此给实际

运用中提高三相异步电动机的节能水平带来帮助。

参考文献：

[1]常德宝.三相异步电动机的节能技术分析.黑龙江科技信息.2016（7）.

[2]陈金刚.笼型三相异步电动机调速和节能.电气时代.2019（2）.

[3]吕汀,石红梅.变频技术原理与应用.北京：机械工业出版社,2003.

[4]张燕宾．变频调速应用实践.北京：机械工业出版社，2002.