0 引言

炼钢厂的大型辅机设备除尘风机的耗电量很大，在经济发展的今天，高能耗已经逐渐不被人接受. 因此，在工厂中要尽力改造高耗电量设备，以达到更好的经济效益. 但目前的情况是, 很大一部分风机不是在设计工况下运行, 而是处于变工况下运行, 为满足其要求, 就需对风机进行调节^[1]. 采用变频调速技术不仅可以克服执行机构非线性严重、反应迟钝等问题，还具有效率高、能耗低、调节精度好、运行可靠和自动化程度高等优点^{[2, 3]}. 通过改变设备运行速度来调节现场所需风压、风量的大小，同时增创炼钢厂效益^[4]. 目前对于炼钢厂转炉车间中的除尘风机设备大部分还是以前的仅利用风门来调节，无法达到“负能炼钢”，即转炉炼钢工序能耗小于零的要求^[5]，因此对于除尘风机的改造刻不容缓.

文中主要介绍了方大特钢炼钢厂负责三座转炉的二次除尘及2^#LF炉的除尘等的130万除尘风机(风量1 300 000 m³/h，配套高压电机额定功率3 150 kW/6 kV)，同时这些除尘点除尘风量的需求依靠风门实现，风门控制点达到了13处，控制节奏变化频繁，因此风机不宜恒速运行. 目前除尘风机的变速启动是使用液力偶合器实现，而液力偶合器不能实现风机转速的变速自动控制，所以除尘风机长期接近满负荷高速运行，导致130万除尘风机日耗电量平均约68 626 kWh详见表 1.

1 改造原因

随着炼钢厂除尘系统的不断完善，130万除尘系统只负责三座转炉的二次除尘. 130万除尘器可通过三座转炉炉体状态信号及系统管路阀门的联锁控制信号实现变速运行，因此，完善后的130万除尘风机电机已具备变频调速改造的条件. 通过变频改造可以取得明显的节电效果，具体节电空间如下.

风机使用液力偶合器调速，在额定风量运行时，风机转速有850 r/min左右(电机额定转速993 r/min，液力厂耦合器额定转速1000 r/min，风机额定转速960 r/min)，此时液力耦合器输出与输入转速比为：854/993=86%，则变频调速比液力偶合器调速效率高10% ^[6].

如表 2所知，近三年3座转炉工艺检修及设备检修每年平均时间为73.5天(检修时间包括日常的工艺检修、设备检修及每年的设备大修和更换炉衬停炉检修时间). 不管是日常的工艺检修、设备检修还是每年的设备大修和更换炉衬停炉检，在检修工况时，只有两座炉体生产在线，从日常的除尘效果来看，100万m³/h除尘风量即可满足生产现场除尘工艺要求，因此风机可以降速运行.

炼钢厂三座转炉平均冶炼周期34 min，每座转炉加废钢兑铁水作业用时6 min，此时炉前所需除尘风量最大为130万m³/h. 按三座转炉连续加废钢兑铁水作业共需用时18 min(这是炉前130万m³/h风量所用时间最长的一种特殊方式的考虑)，加上风机变频器升、降速时间1 min，130万m³/h风量运行最长时间共计19 min，而在一个冶炼周期内其余时间所需除尘风量为100万m³/h，占风机额定风量的76.9%(100/130=76.9%)，时间最短为15 min(34-19=15 min). 所以除尘风机每天130万m³/h风量运行时间为13.42 h(19/34*24=13.42 h)；100万m³/h风量运行时间为10.58 h(15/34*24=10.58 h)，按照表 1可知，100万m³/h风量对应风机转速为689 r/min，电机运行电流为230 A.

注：按照除尘工艺要求，统计了2016年2月1日零点开始，连续30天内的生产情况:130万m³/h风量运行的实际时间为平均每天13.6 h(只要有一座转炉在兑铁水及加废钢状态除尘风机按130万m³/h运行)，100万m³/h风量运行时间为平均每天10.4 h. 风机采用变频调速与液力偶合器调速的节电效果对比表如表 3所示^{[7, 8]}，76.9%额定风量时，采用变频调速比液力偶合器调速节电率多18.7%. 其中，高压变频调速与液力偶合器调速效率—转速曲线图如图 1所示.

如图 1，当风机风量为100万m3/h时，风机转速为689 r/min，而电机额定转速993 r/min，转速比为69%，则变频调速比液力偶合器调速效率高29%.

综上所述, 130万除尘器风机在100万m³/h风.量运行时, 采用变频调速比液偶调速至少可再节电18.7%以上，效益计算时按15%取值.

炼钢厂130万除尘风机采用液偶调速, 最低转速不能低于750r/min(此时液力偶合器油温达到80C的跳机保护温度), 参照表 1数据可知19.0), 其对应电机电流260A.而变频器调速范围为295~993r/min.(实际为15~50Hz, 对应的风机转速为295.-993r/min), 实现除尘风机100m³/h风量运行转速689r/min, 此时电机电流为230A, 所以改变频调速后, 除尘风机有30A电流的节电空间.

结合炼钢厂混铁炉80万除尘器风机变频实践:改造前风机转速670r/min时，平均日用电量20686kWh.变频改造后, 风机转速调到670r/min, 日平均用电量只有12134kWh，日平均节电达8552kWh, 日平均节电率为41%, 虽然两套除尘器系统运行的工况不尽相同, 但可以佐证液偶调速改变频调速后, 有较大的节电空间.

在线液力偶合器运行时响声大油温高(转速. 770r/min时, 油温高达78.43C, 而油温超过809C 风机有跳机保护)，电机一启动，风机转速就达到 387 r/min, (正常应小于100 r/min), 目前液力偶合 器带隐患运行, 液偶超高的油温不能保证夏天的正 常运行，势必造成停机.

高压变频器自带的各种保护功能能保护高压 电机的安全运行，减少启动停止时对公司电网的冲 击, 高压变频器还具有调速精度高, 调速范围宽, 功 率因数高的优点^[10].

2 改造方案

1）取消现有的液力偶合器，并将高压电机移位重新安装. 利用130万除尘系统的80万除尘器主电室西面房间改建成高压变频器室(长9.5 m*宽5 m*高4.3 m)；新增一台高压变频器，由于高压变频器运行会产生4%的损耗而发热^[11-13]，所以变频器室内需安装工业空调；利用一根YJV-10KV- 3*240 mm²高压电缆用于变频器输出到高压电机，长度约60 m(原高压电机出线柜利旧，原高压电机电缆作为高压变频器的进线电缆)，改造后，高压主回路原理详见图 2；

2）新增一台上位工控机，并编写相应PLC程序及上位机画面；

3）通过PLC程序实现风机的自动变频调速，130万除尘PLC系统通过工业以太网通讯分别读取三座转炉的冶炼状态信号并参与到高压电机变频器调速控制；

4）兑铁水及加废钢状态：取转炉溅渣结束氮气切断阀关闭信号开始，炉体摇正开始吹炼氧气阀门打开信号结束，此时除尘风机按130 m³/h风量运行；

5）吹炼及出钢状态：取开始吹炼氧气阀门打开信号开始，出完钢后转炉溅渣结束氮气切断阀关闭信号结束，此时除尘风机按100 m³/h风量运行；

6）转炉工艺检修、设备检修及停炉大修状态：操作工点击上位机画面上检修按钮，检修转炉二次除尘阀门关闭，此时除尘风机按100 m³/h风量运行；检修完成操作工点击上位机画面上冶炼按钮，按转炉不同状态进行高压电机变频器调速控制.

3 改造主要设备材料组成

高压变频器(容量4 000 kVA)，低压控制电缆、信号电缆、工控机、PLC模块、工业空调等.

4 直接效益计算分析

1）正常生产除尘器每天130 m³/h风量运行时间13.6 h，每小时消耗有功功率2859 kW，由于改变频调速后有15%的节电率，则可产生年效益：2 859 kW*13.6h*15%*(365-73.5)天*0.54元=91.80万元／年.

2）三座转炉平均年检修时间73.5天；检修时只有两座转炉生产，100万m3/h除尘风量即可满足除尘工艺要求，参考表 1数据可知此时电机输出功率为2 121 kW. 改变频调速后最少有15%的节电率，则可产生年效益：2 121 kW*73.5*24*15% *0.54元=30.30万元／年.

3）正常生产时除尘器每天100 m³/h风量运行时间10.58 h，参考表 1数据可知每小时消耗有功功率2 121 kW，改变频调速后最少有15%的节电率，则可产生年效益：2 121 kW*10.58h*15%*(365 -73.5)*0.54元=52.98万元／年.

4）高压电机30 A电流每小时消耗的有功功率：30 A*6.3 kV*1.732*0.89*0.95=276 kW，而正常生产除尘器每天100 m³/h风量运行时间10.58 h，加上年工艺、设备检修及转炉大修时间1 764 h，则可产生年效益：(276 kW*10.4 h*(365-73.5)+276 kW *1 764 h*0.54元)=109.96 万元／年.

5）液偶正常每3年返厂保养1次，保养费约11万元，变频改造后可节省液偶维修费用3.67万元／年. (11万／3年=3.67万元).

6）空调运行耗电费：

3 150 kW变频器额定运行发热量按4%计算，达到126 kW/小时，需安装28 kW制冷量空调4台，年耗电量产生费用：126 kW/2.6(能效比)*60%开动率*24小时*365天*0.54元=13.75万元／年.

7）设备折旧费：

电气设备固定资产折旧费每年按10%计算，约为11万元／年.

8）合计年节电计算效益：

225.47万元／年(91.80+30.30+52.98+109.96+3.67-13.75-11=263.96万元).

5 年节电直接效益实际完成

改造前平均日电耗68 626 kWh，改造后平均日电耗44 800 kWh. 所以，改造后年节电直接效益实际为：469.61万元/年[(68626/天-44800/天)*365*0.54=469.61万元].

6 间接效益分析

1）采用变频器控制电机的转速，取消液力耦合器加放空阀门控制调节，降低了设备的故障率，节电效果显著；

2）采用变频器控制电机，实现了电机的软启动，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击；

3）电机将在低于额定转速的状态下运行，减少了噪声对环境的影响；

4）具有过载、过压、过流、欠压、电源缺项等自动保护；

5）采用变频调速控制方式，减少了液力耦合器的维护，维修等，大大降低了运行成本. 实践证明，变频改造具有显著的节电效果，是一种理性的调速控制方式. 既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且还大大减少了设备维护、维修费用，另外当采用了变频调速时，由于变频装置内的直流电抗器能很好的改善功率因数，也可以为电网节约容量.直接和间接经济效益十分明显.

7 结论

变频调速控制技术，能达到很好的节能效果，同时，也降低了电机启动时对电网的冲击，提高了设备的功率因数，延长了机械系统的使用寿命，提升了系统的可靠性. 另外，因为变频器强大的保护功能，对设备起到了很好的保护作用，有效降低了设备的维护成本. 近几年，随着变频调速技术的不断推广与应用，从实践结果来看，得到了良好经济效应与社会效应，并且，也得到用户的广泛认同.