高壓變頻技術在電弧爐除塵系統中的應用
一、概述
鋼鐵廠以其資源密集、能耗密集、生產規模大、物流吞吐量大等特點，長期以來一直被認為是煙塵排放量大、廢棄物多、污染大的企業。而電弧爐煉鋼是一些鋼鐵廠造成煙塵污染的主要來源之一。
電弧爐（簡稱電爐）主要是通過用廢鋼、鐵合金和部分渣料進行配料冶煉，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煉鑄用。電爐煉鋼時產生的有害物污染主要體現在電爐加料、冶煉、出鋼三個階段。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生大量赤褐色濃煙。在上述三個冶煉期中，氧化期產生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高。因此，電爐除塵系統按照氧化期的最大煙塵排量進行設計。在系統最大風量需求的基礎上增加1.1~1.3倍的安全閾度進行除塵風機選型設計。整個煉鋼過程中吹氧時期占30~35%，此時風機處于較高負荷運行，而其余時間則處于較低運行工況。很顯然，除塵系統的利用率很低且系統效率差。
長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產生的粉塵大小均使除塵風機全速運行，采用入口擋板開度調節，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇，節能降耗、提高生產效率成為企業發展提高競爭力的有效手段之一。
而在九十年代開始廣泛應用的高壓大功率變頻調速技術則正是適應了市場的需求，在技術和應用領域上得到不斷的進步和拓展。現在，已廣泛應用于電力、石油化工、礦山、冶金、給排水、機車牽引等領域。
大冶特鋼集團某煉鋼廠正是在這種狀況下，對電爐除塵系統進行高壓變頻技術改造研究的。該電弧爐除塵系統結構如下圖1所示。電爐在冶煉過程中的粉塵主要通過爐頂煙道經沉降室沉積，水冷壁冷卻后經除塵系統過濾排放；同時利用集塵罩將現場生產車間的粉塵和廢氣及時排走，以免危及電爐周邊工作人員的安全、污染環境。除塵風機是將煙氣吸收排放的主要設備。
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圖1 電弧爐除塵系統結構圖
二、系統技術方案研究
大冶特鋼集團某煉鋼廠#8電爐為擴容的70t ABB交流電弧爐。除塵器系統采用TFMC布袋式除塵器，設計過濾面積11985m2，最大除塵風量450000 m3／h。
#8電爐的煉鋼周期為70~85分鐘，其中裝料6~10%，送電熔化25~30%，吹氧30~35%，還原期15~20%，沖渣出鋼6~8%。在不同的生產工藝階段，電爐產生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時廢鋼及渣料產生的揚塵，需要的除塵風量不大，要求粉塵不擴散，不污染電爐周邊工作環境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發可燃廢棄物燃燒產生廢氣。此時，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態，要求煙塵能夠及時排出，又不能過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，確保終點溫度。因此，對除塵系統要求較高。進入還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時，主要排放物是沖渣產生的水蒸汽和少量廢氣。
通過對冶煉工藝的分析：電爐在煉鋼過程的不同階段對除塵風量的大小有明顯的不同，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機的運行方式和設備特點，對除塵風機的控制制定如下方案。
2.1 設備參數
表1 設備參數
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2.2 系統電氣構成
根據現場生產工藝情況，選用利德華福生產的Harsvert-A型變頻器作為主件，該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。
除塵風機電氣系統的主接線結構圖如圖2所示。6kV電源通過母線段網側高壓開關DL接入系統，采用多重化移相干式隔離變壓器進行電源側電氣隔離，以減小對電網的諧波污染；變壓器輸出經功率柜逆變輸出后直接驅動三相異步電動機，實現除塵風量的控制。為保證除塵風機安全可靠運行，系統設計了工／變頻兩套動力系統。當系統變頻運行時，斷開隔離開關QS21、QS22；合隔離開關QS11、QS12。由變頻器啟停設備，實現除塵風機的轉速和風量控制。當變頻線路出現故障時，系統切換至原工頻運行方式；斷開隔離開關QS11、QS12；合隔離開關QS21、QS22。由原除塵系統通過熱變電阻柜啟動風機，入口擋板控制風量。
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圖2 除塵風機電氣系統的主接線結構圖
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。系統并沒有采用檢測電爐工作中粉塵濃度的方式來直接控制除塵風量，而是采集煙道溫度作為系統調節的基本參量，通過非線性函數關系推導出不同運行工況下的除塵風量參與系統控制。從工程角度講，溫度變送器可以在惡劣的工業場合應用，抗干擾能力強、工作穩定性好、控制精度高、安全可靠、免維護且價格便宜。而粉塵濃度檢測裝置價格昂貴、穩定性差、故障率高、維護量大、現場檢測點數據采集很難具有廣泛代表性等缺點。基于上述原因，選用除塵煙道的煙氣溫度作為現場過程量。同時，以吹氧量和冷風門開度作為除塵風量的修整參量，從而提高系統響應速度、改善控制品質、達到良好的除塵效果、實現除塵風量自動控制、降低運行人員勞動強度、提高系統效率，達到最佳的節電效果。具體的控制邏輯見圖3所示。
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圖3
為了保證系統的可靠性，另外增加了除塵風量手動控制回路，對除塵風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，從而實現不同運行工況下的風量調節。控制邏輯圖如圖4所示。
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圖4
實踐證明：系統在設計了兩套控制方案后大大提高了系統的實用性和可操作性，很好的滿足了現場生產要求。同時，在改善現場工作環境，提高產品質量，降低噸鋼能耗方面起到了積極作用。
三、系統特點
變頻調速技術在電爐除塵系統中應用后，主要體現了以下幾個特點：
(1) 除塵設備功耗隨電爐煉鋼生產工藝變負荷運行，提高了系統效率；實現了除塵系統的最佳工況運行。取得顯著的節能效果。
(2) 大大有效降低了除塵系統負荷率，延長了除塵器、除塵風機、除塵電機、煙道等設備的使用壽命。
(3) 對降低爐內熱量損失，合理控制過程溫度，確保終點溫度起到一定的作用。
(4) 對除塵系統進行變頻改造，有助于改善爐內吹煉工況，縮短煉鋼時間，提高鋼產量改善出鋼品質。
(5) 降低補爐期間的能耗和爐襯散熱損失。
四、節能分析
為了對除塵系統變頻改造后的效果進行評價，在系統投入正常運行一個月后對設備實際使用和節電情況進行了測定和數據分析。
隨機抽取一個正常生產日，將系統切換至工頻運行系統采用擋板控制調節風量。采用網側有功電度表進行耗電量計量，見表2。然后，連續采集變頻運行的7個正常生產日用電量進行變頻運行工況下的單耗計算，以期變頻運行的數據更接近真實運行工況，具體數據采樣值見表2。
表2 數據采樣值
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通過對上表原始數據的處理，可以得出：除塵系統在變頻改造后較改造前，噸鋼除塵電耗降低了17.390kW·h。設備節電率高達58.63%，節能效果顯著。
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工頻運行時記錄曲線
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變頻運行時記錄曲線
圖5
截取工頻運行時煉一爐鋼除塵風機電流運行記錄曲線和變頻運行時煉一爐鋼的網側電流記錄曲線比較，可以直觀的看出風機電流降低明顯，設備運行工況更符合實際生產工藝需要。
五、結論
通過對大冶特鋼集團某煉鋼廠#8電爐除塵系統變頻改造前后的技術分析，可以看出：在電弧爐除塵系統中應用高壓變頻調速技術不僅對有效改善現場生產狀況，提高鋼產量降低噸耗有著重要的意義；而且每年可節約230萬元左右的電費開支。在電弧爐除塵系統中應用高壓變頻調速技術是完全正確的。
參考文獻
[1] 邱紹岐，祝桂華編著．電爐煉鋼原理與工藝．北京：冶金工業出版社，1996
[2] 沈才芳等編著．電弧爐煉鋼工藝與設備（第2版）．北京：冶金工業出版社，2001
[3] 高壓變頻器應用資料匯編．冶金行業：北京利德華福電氣技術有限公司，2004
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