高壓變頻技術(shù)在電弧爐除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 概述

長期以來鋼鐵廠因其資源密集、能耗密集、生產(chǎn)規(guī)模大、物流吞吐量大等特點(diǎn)，被認(rèn)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(jìn)行配料冶煉，根據(jù)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(qiáng)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(tǒng)是按照氧化期的最大煙塵排量進(jìn)行設(shè)計(jì)的。電爐在冶煉過程中的粉塵主要通過爐頂煙道經(jīng)沉降室沉積，水冷壁冷卻后經(jīng)除塵系統(tǒng)過濾排放;同時(shí)利用集塵罩將現(xiàn)場生產(chǎn)車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(jī)是將煙氣吸收排放的主要設(shè)備。一般情況下，在系統(tǒng)最大風(fēng)量需求的基礎(chǔ)上增加1.1耀1.3 倍的安全裕度進(jìn)行除塵風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)。整個(gè)煉鋼過程中吹氧時(shí)期占30%耀35%，此時(shí)風(fēng)機(jī)處于較高負(fù)荷運(yùn)行，而其余時(shí)間則處于較低運(yùn)行工況。但不論電爐處于哪一個(gè)運(yùn)行階段，除塵風(fēng)機(jī)均全速運(yùn)行，采用調(diào)節(jié)入口擋板開度來清理產(chǎn)生的粉塵，效率低、功率大、造成大量的電能浪費(fèi)。隨著市場競爭的不斷加劇，節(jié)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(jì)90 年代開始使用的高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)則正是適應(yīng)了市場的需求，在技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域上得到不斷的進(jìn)步和拓展，當(dāng)時(shí)只是使用進(jìn)口的高壓變頻器。進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著我國科學(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(yīng)用于電力、石油化工、礦山、冶金、給排水、機(jī)車牽引等領(lǐng)域。

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

2 系統(tǒng)技術(shù)方案研究

太鋼不銹鋼股份有限公司某煉鋼廠的電爐為交流電弧爐。除塵器系統(tǒng)采用布袋式除塵器，設(shè)計(jì)過濾面積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。加料過程中，主要是裝料時(shí)廢鋼及渣料產(chǎn)生的揚(yáng)塵，需要的除塵風(fēng)量不大，要求粉塵不擴(kuò)散，不污染電爐周邊工作環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)。送電過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(tǒng)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(duì)除塵系統(tǒng)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。

通過對(duì)冶煉工藝進(jìn)行分析，電爐在煉鋼過程的不同階段對(duì)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(tǒng)中除塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式和設(shè)備特點(diǎn)，對(duì)除塵風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)制定了如下方案。

2.1 設(shè)備參數(shù)

除塵風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)如表1 所列。

2.2 系統(tǒng)電氣構(gòu)成

根據(jù)現(xiàn)場生產(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(diào)速系統(tǒng)具有諧波含量小、功率因數(shù)高、編程靈活、操作方便、模塊化結(jié)構(gòu)、故障率低、免維護(hù)、易維修等特點(diǎn)。

除塵風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的主接線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，10 kV電源通過母線段網(wǎng)側(cè)高壓開關(guān)QF 接入系統(tǒng)，采用多重化移相干式隔離變壓器進(jìn)行電源側(cè)電氣隔離，以減小對(duì)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(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)除塵風(fēng)量的控制。為保證除塵風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了工頻/變頻兩套供電系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)變頻運(yùn)行時(shí)，斷開隔離開關(guān)QS3，合隔離開關(guān)QS1、QS2，由變頻器啟停設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)除塵風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)量控制。當(dāng)變頻裝置出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)切換至原工頻運(yùn)行方式，斷開隔離開關(guān)QS1、QS2，合隔離開關(guān)QS3，直接啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)入口擋板控制風(fēng)量。

2.3 系統(tǒng)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(yùn)行工況。系統(tǒng)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(fēng)量，而是采集煙道溫度作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)的基本參量，通過非線性函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出不同運(yùn)行工況下的除塵風(fēng)量參與系統(tǒng)控制。從工程角度講，溫度變送器可以在惡劣的工業(yè)場合應(yīng)用，其抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、控制精度高、安全可靠、免維護(hù)且價(jià)格便宜。而粉塵濃度檢測裝置有價(jià)格昂貴、穩(wěn)定性差、故障率高、維護(hù)量大、現(xiàn)場檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)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(xiàn)場控制量。同時(shí)，以吹氧量和冷風(fēng)門開度作為除塵風(fēng)量的修整參量，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，改善控制品質(zhì)，達(dá)到良好的除塵效果，實(shí)現(xiàn)除塵風(fēng)量自動(dòng)控制，降低運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)效率，達(dá)到最佳的節(jié)電效果。具體的控制邏輯如圖2所示.

為了保證系統(tǒng)的可靠性，另外增加了除塵風(fēng)量手動(dòng)控制回路，對(duì)除塵風(fēng)量的控制采用分段調(diào)速的方式由爐前操作臺(tái)控制變頻運(yùn)行的頻率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況下的風(fēng)量調(diào)節(jié)。控制邏輯圖如圖3所示。

實(shí)踐證明在設(shè)計(jì)了兩套控制方案后大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性，很好地滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)要求。同時(shí)，在改善現(xiàn)場工作環(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(tǒng)特點(diǎn)

1)除塵設(shè)備功耗隨電爐煉鋼生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運(yùn)行，提高了系統(tǒng)效率;實(shí)現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的最佳工況運(yùn)行，取得顯著的節(jié)能效果。

2)大大降低了除塵系統(tǒng)負(fù)荷率，延長了除塵器、除塵風(fēng)機(jī)、除塵電機(jī)、煙道等設(shè)備的使用壽命。

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

4)對(duì)除塵系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造，有助于改善爐內(nèi)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(bǔ)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(duì)除塵系統(tǒng)變頻改造后的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取變頻器投入前一個(gè)月和投入正常運(yùn)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(duì)這兩個(gè)月的設(shè)備實(shí)際使用和節(jié)電情況進(jìn)行了測定和數(shù)據(jù)分析。

除塵系統(tǒng)變頻改造前用電量數(shù)據(jù)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(jī)電機(jī)功率表讀數(shù)為1 838 460 kW·h，12月30日除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)功率表讀數(shù)為2 118 580 kW·h，因此，12 月除塵風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)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(tǒng)變頻改造后用電量數(shù)據(jù)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(jī)電機(jī)功率表讀數(shù)為2 899 520 kW·h，4月30日功率表讀數(shù)為3 074 340 kW·h，因此，除塵系統(tǒng)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(jù)以上數(shù)據(jù)測算，除塵系統(tǒng)變頻器改造后平均每天節(jié)約電量為3 631 kW·h，節(jié)電率達(dá)到37.6%則每年節(jié)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(jié)約電費(fèi)1 307 160 kW·h伊0.5 元/kW·h =65.4萬元。

5 結(jié)語

在電弧爐除塵系統(tǒng)中應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)不僅對(duì)改善現(xiàn)場生產(chǎn)狀況、提高鋼產(chǎn)量、降低電能消耗有著重要的意義，而且每年還可節(jié)約65萬元左右的電費(fèi)開支。同時(shí)對(duì)高壓電機(jī)的啟動(dòng)起到了保護(hù)作用，降低了在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。