一、高爐工藝簡介
高爐因具有煉鐵技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)良好，工藝簡單，生產(chǎn)量大，勞動生產(chǎn)效率高，能耗低等優(yōu)點，世界鐵總產(chǎn)量的80%是通過這種方法生產(chǎn)的。高爐為煉鐵環(huán)節(jié)中最主要的設(shè)備，橫斷面為圓形的煉鐵豎爐，生產(chǎn)時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部的風(fēng)口吹入經(jīng)預(yù)熱的空氣。焦炭中的碳和鼓入空氣中的氧在高溫作用下，燃燒生成的一氧化碳和氫氣，焦炭在爐內(nèi)上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。鐵水從鐵口放出，生成的爐渣，從渣口排出。煤氣從爐頂排出，作為熱風(fēng)爐、加熱爐、焦?fàn)t、鍋爐等燃料。
圖1：高爐工藝
高爐鼓風(fēng)機是高爐系統(tǒng)中最重要的動力設(shè)備，上圖為整個高爐的系統(tǒng)圖，從中可以看到高爐鼓風(fēng)機的位置及作用，它不但直接提供高爐冶煉所需的氧氣，而且提供克服高爐料柱阻力所需的氣體動力。現(xiàn)代大、中型高爐系統(tǒng)中所用的鼓風(fēng)機，大多用汽輪機驅(qū)動的離心式鼓風(fēng)機和軸流式鼓風(fēng)機。這種鼓風(fēng)機耗電雖多，但啟動方便，易于維修，投資較少。高爐冶煉要求鼓風(fēng)機能供給一定量的空氣，以保證燃燒一定的碳；其所需風(fēng)量的大小不僅與爐容成正比，而且與高爐強化程度有關(guān)、一般按單位爐容2.1～2.5m3/min的風(fēng)量配備。但實際上不少的高爐考慮到生產(chǎn)的發(fā)展，配備的風(fēng)機能力都大于這一比例。
高爐鼓風(fēng)機處于整個高爐系統(tǒng)的非常重要的位置，其運行可靠性關(guān)系著整個高爐生產(chǎn)，甚至?xí)绊懓踩鹿剩话闱闆r下在高爐正常生產(chǎn)過程中如果高爐鼓風(fēng)機意外停機將導(dǎo)致嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，經(jīng)濟損失少則幾十萬，多則上百萬。
但高爐鼓風(fēng)機為整個高爐系統(tǒng)中功率最大的負(fù)載，其耗電量巨大，而且目前很多采用水阻柜啟動加風(fēng)門調(diào)節(jié)的方式啟動和調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機的出口壓力，能量浪費嚴(yán)重，變頻改造逐漸進(jìn)入廠家的視野，但對變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。
高爐鼓風(fēng)機是整個系統(tǒng)最大負(fù)載，啟動前必須將其它大功率負(fù)荷進(jìn)行停機保證電網(wǎng)容量能經(jīng)受啟動沖擊電流，但是由于鋼廠高爐不斷擴容，電網(wǎng)預(yù)留每個鋼廠總進(jìn)線負(fù)荷是有限的，所以要求高爐鼓風(fēng)啟動沖擊電流必須在合理范圍。
二、項目概況
河北邯鄲某鋼鐵企業(yè)一煉鐵廠5#高爐容量是1080m3，采用由陜鼓提供的AV63-14軸流風(fēng)機對高爐供風(fēng)，其中電網(wǎng)容量分配到5#高爐母線的電源負(fù)荷為1300A ，但是電機額定電流1072A，要求高爐鼓風(fēng)機啟動時候沖擊電流必須控制在額定電流范圍以內(nèi)。現(xiàn)場改造以前有一臺第三方大功率變頻器，考慮成本問題決定使用匯川無擾切換系統(tǒng)和第三方變頻器組成1080m3高爐無擾切換系統(tǒng)。
1080m3高爐鼓風(fēng)機系統(tǒng)配置如下：
2.1電機參數(shù)
2.2齒輪參數(shù)
2.3風(fēng)機參數(shù)
2.4變頻器參數(shù)
2.5無擾切換系統(tǒng)
三、系統(tǒng)方案
3.1系統(tǒng)一次圖
圖2：系統(tǒng)一次圖
控制邏輯說明：
1) 首先將用戶開關(guān)柜QF合閘，將電源送到變頻器進(jìn)線柜QF1和運行柜QF3上端。
2) 在第三方變頻器合閘允許后，通過風(fēng)機控制系統(tǒng)DCS發(fā)出變頻器柜QF1進(jìn)行合閘命令，變頻器準(zhǔn)備就緒。
3) 匯川無擾切換系統(tǒng)檢測到變頻器輸入電壓正常再發(fā)出變頻出線柜QF2合閘指令。
4) 匯川無擾切換系統(tǒng)自檢完成后將準(zhǔn)備就緒信號上傳到風(fēng)機控制系統(tǒng)DCS，高爐鼓風(fēng)機啟動過程電氣部分條件具備。
5) 風(fēng)機控制系統(tǒng)DCS通過對機組是否準(zhǔn)備啟動條件進(jìn)行判斷，條件具備后，給出啟動變頻器命令，匯川無擾切換系統(tǒng)實時鎖頻鎖相，變頻器驅(qū)動M1達(dá)到工頻50Hz狀態(tài)，鎖頻鎖相成功后發(fā)出解鎖信號將QF2與QF3互鎖信號解除。
6) 通過對輸入輸出電壓頻率、相位、幅值進(jìn)行實時檢測，在滿足切換條件時，依次給出QF3合閘命令，變頻停機和QF2分閘命令。電機就從變頻器驅(qū)動狀態(tài)平滑切換到工頻狀態(tài)。風(fēng)機機組在軟啟過程中只要機組不具備條件，風(fēng)機控制系統(tǒng)DCS就會發(fā)出停機命令保證系統(tǒng)安全。
3.2技術(shù)難點
同步切換過程中需要準(zhǔn)確檢測電網(wǎng)與變頻器輸出電壓的幅值、頻率、相位等，任何一個不準(zhǔn)確的數(shù)值均將導(dǎo)致切換不成功，或者切換過程沖擊電流非常大，拉垮電網(wǎng)；該切換過程存在的技術(shù)難點體現(xiàn)如下：
1) 變頻器輸出電壓的相序與電網(wǎng)輸入側(cè)的相序一致性判斷。這種問題導(dǎo)致結(jié)果將比較嚴(yán)重：①工藝不允許，比如說像空壓機或者轉(zhuǎn)爐的應(yīng)用現(xiàn)場，絕對不允許電機反轉(zhuǎn)，易造成事故；②工藝允許的情況下，相當(dāng)于一個正轉(zhuǎn)的電機突然50Hz反轉(zhuǎn)，對電機軸承的傷害比較大；匯川變頻器無載測試的過程中，即變頻器不連接電機時在觸摸屏上進(jìn)行相位讀取，從而判斷相位的正確性；
2) 切換時工變頻電壓相位檢測對比。如果在沒有判斷工變頻電壓的頻率、相位、幅值的情況下，直接切換（硬切換）的話，對電網(wǎng)的沖擊電流會很大，甚至達(dá)到16倍沖擊電流，直接拉垮電網(wǎng)。匯川切換過程中實時檢測工變頻電壓的頻率、相位和幅值，三個指標(biāo)均滿足切換要求才進(jìn)行切換，保證無沖擊；
四、HD9X變頻改造優(yōu)勢
1) 隨著生產(chǎn)規(guī)模擴大用電量需求增加，原來電網(wǎng)預(yù)留負(fù)荷不足以支撐目前的用電量。協(xié)調(diào)電網(wǎng)進(jìn)行擴容不僅流程長投資成本也大，所以要求擴建項目大型設(shè)備啟動必須控制在額定電流范圍以內(nèi)。HD9X變頻改造使啟動沖擊電流在額定電流范圍內(nèi)，一般在0.3~0.6電機額定電流。
2) 對進(jìn)線母線負(fù)荷要求小，啟動前不用協(xié)調(diào)其它大型設(shè)備停機從而調(diào)整進(jìn)線負(fù)荷來啟動高爐鼓風(fēng)機。
3) 變頻器做軟啟時可以連續(xù)多次啟動，對電機、機械、電網(wǎng)沖擊都很小。而水阻、固態(tài)軟啟啟動必須留有時間間隔，直接影響其它大型設(shè)備正常運行。
4) 水阻、固態(tài)軟啟啟動只有在調(diào)整合理情況下才能將啟動電流控制在3倍左右，這樣就要求上級進(jìn)線變壓器容量要加大，投資成本會提高、電網(wǎng)收費標(biāo)準(zhǔn)也會變高。
5) 同樣功率電機如果采用水阻、固態(tài)軟啟是按照電機額定容量來配置的，那么采用變頻器做軟啟只需電機額定容量0.3倍即可，投資成本相差不多。從性能上來講，變頻無擾切換方案比水阻、固態(tài)軟啟更加有優(yōu)勢。
6) 延長電機及負(fù)載的使用壽命：變頻改造真正實現(xiàn)了電機及負(fù)載的軟啟動，減小了沖擊，能夠有效延長其使用壽命，之前客戶每次啟動此電機都非常麻煩，需要停掉所有用電設(shè)備，而現(xiàn)在可以隨意進(jìn)行電機的啟動，而且現(xiàn)場電機使用軸瓦，也有效的減小了啟動時對軸瓦的沖擊；
五、現(xiàn)場應(yīng)用照片
圖3：現(xiàn)場負(fù)載
圖4：電機銘牌
圖5：軸流風(fēng)機型銘牌
六、結(jié)束語
冶金行業(yè)歷來屬于高耗能行業(yè)，大功率電機數(shù)量巨大，常年工頻運行導(dǎo)致能源浪費嚴(yán)重，變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著地節(jié)能效果，而且能夠改善運行工藝，達(dá)到多重改造效果，經(jīng)濟效益及社會效益顯著，高爐鼓風(fēng)機的變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較高的節(jié)能效果，還能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電機的啟動問題，但方案的設(shè)計上一定要遵從安全可靠的原則，匯川技術(shù)HD9X系列高壓變頻器無擾切換之所以能夠成功的改造此次高爐鼓風(fēng)機，也是產(chǎn)品高性能、高可靠性的一個證明。
匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對冶金行業(yè)的變頻改造具有獨到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品適用于冶金、電力、化工、市政等多個應(yīng)用領(lǐng)域。
