高壓變頻技術(shù)在電弧爐除塵系統中的應用

1 概述

長(cháng)期以來(lái)鋼鐵廠(chǎng)因其資源密集、能耗密集、生產(chǎn)規模大、物流吞吐量大等特點(diǎn)，被認為是煙塵排放量大、廢棄物多、污染大的企業(yè)。而采用電弧爐煉鋼是一些鋼鐵廠(chǎng)造成煙塵污染的主要來(lái)源之一。

電弧爐(簡(jiǎn)稱(chēng)電爐)主要是通過(guò)用廢鋼、鐵合金和部分渣料進(jìn)行配料冶煉，根據不同的鋼種要求，可以接受高炭鉻鐵水和脫磷鐵水，然后熔制出碳鋼或不銹鋼鋼水供連鑄用。電爐煉鋼時(shí)產(chǎn)生的有害污染物主要是在電爐加料、冶煉、出鋼三個(gè)階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，由于吹氧或加礦石而產(chǎn)生大量赤褐色濃煙。在上述三個(gè)冶煉期中，氧化期產(chǎn)生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高。因此，電爐除塵系統是按照氧化期的最大煙塵排量進(jìn)行設計的。電爐在冶煉過(guò)程中的粉塵主要通過(guò)爐頂煙道經(jīng)沉降室沉積，水冷壁冷卻后經(jīng)除塵系統過(guò)濾排放;同時(shí)利用集塵罩將現場(chǎng)生產(chǎn)車(chē)間的粉塵和廢氣及時(shí)排走，以免污染環(huán)境和危及電爐周邊工作人員的安全。因此，除塵風(fēng)機是將煙氣吸收排放的主要設備。一般情況下，在系統最大風(fēng)量需求的基礎上增加1.1耀1.3 倍的安全裕度進(jìn)行除塵風(fēng)機選型設計。整個(gè)煉鋼過(guò)程中吹氧時(shí)期占30%耀35%，此時(shí)風(fēng)機處于較高負荷運行，而其余時(shí)間則處于較低運行工況。但不論電爐處于哪一個(gè)運行階段，除塵風(fēng)機均全速運行，采用調節入口擋板開(kāi)度來(lái)清理產(chǎn)生的粉塵，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。隨著(zhù)市場(chǎng)競爭的不斷加劇，節能降耗、提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)發(fā)展提高競爭力的有效手段之一。

在上世紀90 年代開(kāi)始使用的高壓大功率變頻調速技術(shù)則正是適應了市場(chǎng)的需求，在技術(shù)和應用領(lǐng)域上得到不斷的進(jìn)步和拓展，當時(shí)只是使用進(jìn)口的高壓變頻器。進(jìn)入21 世紀，隨著(zhù)我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自主研發(fā)的高壓變頻技術(shù)已廣泛應用于電力、石油化工、礦山、冶金、給排水、機車(chē)牽引等領(lǐng)域。

太鋼不銹鋼股份有限公司某煉鋼廠(chǎng)正是在這種狀況下，對電爐除塵系統進(jìn)行了高壓變頻技術(shù)改造。

2 系統技術(shù)方案研究

太鋼不銹鋼股份有限公司某煉鋼廠(chǎng)的電爐為交流電弧爐。除塵器系統采用布袋式除塵器，設計過(guò)濾面積5 200 m2，最大除塵風(fēng)量280 000 m3轅h。

該電爐的煉鋼周期為70耀80 min，其中裝料6%耀10%，送電熔化25%耀30%，吹氧30%耀35%，還原期15%耀20%，沖渣出鋼6%耀8%。在不同的生產(chǎn)工藝階段，電爐產(chǎn)生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過(guò)程中，主要是裝料時(shí)廢鋼及渣料產(chǎn)生的揚塵，需要的除塵風(fēng)量不大，要求粉塵不擴散，不污染電爐周邊工作環(huán)境為標準。送電過(guò)程中是原料送電拉弧加熱，引發(fā)可燃廢棄物燃燒產(chǎn)生廢氣。此時(shí)，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài)，要求煙塵能夠及時(shí)排出，又不能過(guò)多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間，不僅要求除塵系統能夠及時(shí)迅速的將廢氣和粉塵排走，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度，確保終點(diǎn)溫度。因此，對除塵系統要求較高。進(jìn)入還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時(shí)，主要排放物是沖渣產(chǎn)生的水蒸氣和少量廢氣。

通過(guò)對冶煉工藝進(jìn)行分析，電爐在煉鋼過(guò)程的不同階段對除塵風(fēng)量的大小要求有明顯的不同，以吹氧冶煉為最大，加料除塵為最低。鑒于電爐除塵系統中除塵風(fēng)機的運行方式和設備特點(diǎn)，對除塵風(fēng)機的控制系統制定了如下方案。

2.1 設備參數

除塵風(fēng)機設備參數如表1 所列。

2.2 系統電氣構成

根據現場(chǎng)生產(chǎn)工藝情況，選用成熟的高壓變頻器作為主件，該高壓變頻調速系統具有諧波含量小、功率因數高、編程靈活、操作方便、模塊化結構、故障率低、免維護、易維修等特點(diǎn)。

除塵風(fēng)機電氣系統的主接線(xiàn)結構如圖1 所示，10 kV電源通過(guò)母線(xiàn)段網(wǎng)側高壓開(kāi)關(guān)QF 接入系統，采用多重化移相干式隔離變壓器進(jìn)行電源側電氣隔離，以減小對電網(wǎng)的諧波污染;變壓器輸出經(jīng)功率柜逆變輸出后直接驅動(dòng)三相異步電動(dòng)機，實(shí)現對除塵風(fēng)量的控制。為保證除塵風(fēng)機安全可靠運行，系統設計了工頻/變頻兩套供電系統。

當系統變頻運行時(shí)，斷開(kāi)隔離開(kāi)關(guān)QS3，合隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2，由變頻器啟停設備，實(shí)現對除塵風(fēng)機的轉速和風(fēng)量控制。當變頻裝置出現故障時(shí)，系統切換至原工頻運行方式，斷開(kāi)隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2，合隔離開(kāi)關(guān)QS3，直接啟動(dòng)風(fēng)機，調節入口擋板控制風(fēng)量。

2.3 系統控制方案

由于不同工藝階段的煙氣溫度有明顯差異，因此溫度的高低直接反映了電爐的運行工況。系統并沒(méi)有采用檢測電爐工作中粉塵濃度的方式來(lái)直接控制除塵風(fēng)量，而是采集煙道溫度作為系統調節的基本參量，通過(guò)非線(xiàn)性函數關(guān)系推導出不同運行工況下的除塵風(fēng)量參與系統控制。從工程角度講，溫度變送器可以在惡劣的工業(yè)場(chǎng)合應用，其抗干擾能力強、工作穩定性好、控制精度高、安全可靠、免維護且價(jià)格便宜。而粉塵濃度檢測裝置有價(jià)格昂貴、穩定性差、故障率高、維護量大、現場(chǎng)檢測點(diǎn)數據采集很難具有廣泛代表性等缺點(diǎn)?；谏鲜鲈?，選用除塵煙道的煙氣溫度作為現場(chǎng)控制量。同時(shí)，以吹氧量和冷風(fēng)門(mén)開(kāi)度作為除塵風(fēng)量的修整參量，從而提高系統響應速度，改善控制品質(zhì)，達到良好的除塵效果，實(shí)現除塵風(fēng)量自動(dòng)控制，降低運行人員勞動(dòng)強度，提高系統效率，達到最佳的節電效果。具體的控制邏輯如圖2所示.

為了保證系統的可靠性，另外增加了除塵風(fēng)量手動(dòng)控制回路，對除塵風(fēng)量的控制采用分段調速的方式由爐前操作臺控制變頻運行的頻率點(diǎn)，從而實(shí)現不同運行工況下的風(fēng)量調節?？刂七壿媹D如圖3所示。

實(shí)踐證明在設計了兩套控制方案后大大提高了系統的實(shí)用性和可操作性，很好地滿(mǎn)足了現場(chǎng)生產(chǎn)要求。同時(shí)，在改善現場(chǎng)工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低噸鋼能耗方面也起到了積極作用。

3 系統特點(diǎn)

1)除塵設備功耗隨電爐煉鋼生產(chǎn)工藝變負荷運行，提高了系統效率;實(shí)現了除塵系統的最佳工況運行，取得顯著(zhù)的節能效果。

2)大大降低了除塵系統負荷率，延長(cháng)了除塵器、除塵風(fēng)機、除塵電機、煙道等設備的使用壽命。

3)對降低爐內熱量損失，合理控制過(guò)程溫度，確保終點(diǎn)溫度起到一定的作用。

4)對除塵系統進(jìn)行變頻改造，有助于改善爐內吹煉工況，縮短煉鋼時(shí)間，提高鋼產(chǎn)量改善出鋼品質(zhì)。

5)降低補爐期間的能耗和爐襯散熱損失。

4 變頻改造效益分析

為了對除塵系統變頻改造后的效果進(jìn)行評價(jià)，選取變頻器投入前一個(gè)月和投入正常運行后一個(gè)月(保證投入前后各一個(gè)月的鋼產(chǎn)量基本一致)，對這兩個(gè)月的設備實(shí)際使用和節電情況進(jìn)行了測定和數據分析。

除塵系統變頻改造前用電量數據如下(以2007 年12 月份為例)。

2007 年12 月鋼產(chǎn)量為36 406 t，12 月1 日除塵風(fēng)機電機功率表讀數為1 838 460 kW·h，12月30日除塵風(fēng)機電機功率表讀數為2 118 580 kW·h，因此，12 月除塵風(fēng)機工頻運行時(shí)共消耗電量為(2 118 580-1 838 460)=280 120 kW·h，平均每天消耗電量為280 120 kW·h衣29天=9 659.3 kW·h。

除塵系統變頻改造后用電量數據如下(以2008年4 月份為例)。

2008 年4 月鋼產(chǎn)量36 416 t，2008 年4 月1日除塵風(fēng)機電機功率表讀數為2 899 520 kW·h，4月30日功率表讀數為3 074 340 kW·h，因此，除塵系統變頻器投用后，2008年4 月份共消耗電量為(3 074 340-2 899 520)=174 820 kW·h，平均每天消耗電量為174 820 kW·h衣29 天=6 028.3 kW·h。

根據以上數據測算，除塵系統變頻器改造后平均每天節約電量為3 631 kW·h，節電率達到37.6%則每年節約電量為3 631 kW·h伊30 天伊12 月越1 307 160 kW·h，故每年可節約電費1 307 160 kW·h伊0.5 元/kW·h =65.4萬(wàn)元。

5 結語(yǔ)

在電弧爐除塵系統中應用高壓變頻調速技術(shù)不僅對改善現場(chǎng)生產(chǎn)狀況、提高鋼產(chǎn)量、降低電能消耗有著(zhù)重要的意義，而且每年還可節約65萬(wàn)元左右的電費開(kāi)支。同時(shí)對高壓電機的啟動(dòng)起到了保護作用，降低了在啟動(dòng)電機時(shí)對電網(wǎng)的沖擊。