昆明鋼鐵公司第二煉鋼廠于70年代初建成投產(chǎn)，原設(shè)計為3座公稱容量15t的轉(zhuǎn)爐。2000年對轉(zhuǎn)爐進(jìn)行了擴容和氧槍改造。該廠現(xiàn)主要工藝設(shè)備有：3座容量為20t的轉(zhuǎn)爐，1座600t混鐵爐和1座300t混鐵爐，3個吹氬（氮）站。連鑄車間現(xiàn)有4臺弧形方坯連鑄機，其中2臺連鑄機外弧半徑為5.25m，澆鑄斷面為120×120(mm)，2臺連鑄機年生產(chǎn)能力達(dá)40萬t；另2臺連鑄機外弧半徑為7m，澆鑄斷面為150×150(mm)，2臺連鑄機年生產(chǎn)能力達(dá)55～60萬t。

2001年昆鋼二煉鋼全年共產(chǎn)鋼90.6萬t，連鑄坯88.78萬t。轉(zhuǎn)爐平均出鋼量為22t/爐，裝入量為24t/爐。2002年二煉鋼全年共產(chǎn)鋼104.5萬t。

昆鋼2003年對轉(zhuǎn)爐進(jìn)行了再次擴容，擴容后轉(zhuǎn)爐裝入量達(dá)到30t/爐，年鋼產(chǎn)量達(dá)到150萬t。為實現(xiàn)150萬t綜合產(chǎn)能，除了對轉(zhuǎn)爐擴容外，還必須提高轉(zhuǎn)爐作業(yè)率和縮短冶煉周期，增加供氧強度，提高最大脫炭速度。

轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)爐擴容改造同步進(jìn)行，轉(zhuǎn)爐最大脫碳速度為0.57%C/min，在煤氣回收期最大爐氣量為20000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），按燃燒系數(shù)10％計算，煙氣凈化系統(tǒng)煙氣量為23176m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。3座轉(zhuǎn)爐分別設(shè)置新的獨立的煙氣凈化（裝置）系統(tǒng)（又稱轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)），共用1套煤氣回收（裝置）系統(tǒng)。采用OG法濕式系統(tǒng)對煙氣進(jìn)行冷卻凈化并回收煤氣。每套系統(tǒng)采用D1100煤氣風(fēng)機（66000 m3/h，24658Pa，2900r/min，效率95.5%）一臺，配用的YB630S1-1電機裝機功率為800kW（6000V，90.6A，2950r/min，功率因數(shù)0.89）。

風(fēng)機調(diào)速方案的確定

轉(zhuǎn)爐在冶煉時煤氣風(fēng)機高速運行，轉(zhuǎn)速為2900r/min;在兌鐵水和出鋼過程中，為節(jié)約電能煤氣風(fēng)機低速運行，轉(zhuǎn)速為800～1000r/min。

風(fēng)機調(diào)速20多年來出現(xiàn)了多種方式，如液力耦合器、變頻調(diào)速等，由于技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的原因多年來普遍采用液力耦合器。國產(chǎn)變頻調(diào)速在幾年前技術(shù)上不很成熟且無法提供高壓大功率裝置，若進(jìn)口則一次性投資太高，而液力耦合器最大的優(yōu)勢是投資便宜。

高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新型電力傳動調(diào)速技術(shù)，特別是90年代后期國產(chǎn)變頻器得到了迅猛發(fā)展。目前高壓變頻調(diào)速技術(shù)所需要的核心電力電子器件及控制技術(shù)，對于交—交高壓變頻器中的功率變換器件采用普通晶閘管TH，光控晶閘管LATT，門極可關(guān)斷晶閘管GTO等；而對于交—直—交高壓變頻器的功率變換器件，則采用IGBT，MCT，GTO，集成發(fā)射式門極晶閘管IEGT，集成門極強驅(qū)動晶閘管IGCT，SGCT等。控制方式采用PWM控制，控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理器加FPGA控制；繼電保護采用PLC系統(tǒng)，高低電位隔離大部分采用光纖傳輸，也有采用電磁隔離的，人機界面采用PMU等液晶觸摸操作屏。國產(chǎn)變頻器技術(shù)已很先進(jìn)，與進(jìn)口產(chǎn)品相比在技術(shù)水平上無大的差距。

目前，若采用進(jìn)口高壓變頻器，其投資約為2000～2500元/kW，比傳統(tǒng)的液力耦合器貴10～12倍；而近年來國產(chǎn)高壓大功率變頻器技術(shù)已趨向成熟，價格約為800～1000元/kW，比傳統(tǒng)的液力耦合器貴4～5倍。

高壓變頻調(diào)速技術(shù)是集電力電子、微電子、電力拖動、高壓技術(shù)、高低壓隔離和信號傳輸一體的高難技術(shù)，它的高壓大容量化，實用化，省維護，高效，顯著的節(jié)能效果等高性能技術(shù)指標(biāo)，在各行業(yè)特別是電力行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

本工程為節(jié)約一次投資，決定先在№1轉(zhuǎn)爐的除塵系統(tǒng)中采用高壓變頻器（帶有試用性質(zhì)），其它№2、№3轉(zhuǎn)爐采用液力耦合器調(diào)速方案，在系統(tǒng)投運一年后更換為變頻器，要求在設(shè)計中充分考慮到今后更換高壓變頻器的可行性和盡可能的縮短更換時間，因此在設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計中預(yù)留了更換為變頻器時的電機基礎(chǔ)二次澆灌孔和變頻器的安裝位置。

№2、№3轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)采用的液力耦合器技術(shù)參數(shù)如下：

型號：YOTGC450防爆調(diào)速型；

輸入轉(zhuǎn)速：2900r/min；

傳遞功率范圍：430～900kW；

額定滑差率：1.5～3%；

液力耦合器配電動執(zhí)行器：DKJ（DKZ）型，輸入信號：0～10mA，220V。

高壓變頻器的技術(shù)性能

煤氣風(fēng)機是轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)的動力中樞，一旦煤氣風(fēng)機不能正常運行，將會影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失。

1 煤氣風(fēng)機變頻調(diào)速裝置應(yīng)達(dá)到的要求

（1）要求變頻器具有高可靠性，應(yīng)基本上長期運行無故障。

（2）要求變頻器有完善的旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可以先切換到單元旁路下運行，同時也可以使電機切換到工頻運行。

（3）調(diào)速范圍要大，效率要高。

（4）具有邏輯控制能力，可以在聯(lián)鎖狀態(tài)下自動按照冶煉周期升降速。

（5）有共振點跳轉(zhuǎn)功能，能使電機避開共振點運行，讓風(fēng)機不喘振。

本工程№1轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)采用的高壓變頻器基本上可以滿足以上要求。

2 高壓變頻器的技術(shù)性能參數(shù)

型號：DFCVERT-MV-1000/6B

（1）輸入?yún)?shù)

額定電壓：三相交流6.3kV±10％；

頻率：50Hz；

輸入側(cè)電流畸變率：＜4%（30%負(fù)載以上）；

輸入側(cè)功率因數(shù)：＞0.96（20%負(fù)載以上）；

輸出側(cè)電流畸變率：＜3%；

效率：96％。

（2）輸出參數(shù)

容量：1000kVA（適配電機功率800～850kW）；

額定輸出電壓：6kV；

額定輸出頻率：50Hz；

輸出頻率范圍：0.1～50Hz；

頻率分辨率：0.01Hz；

升降速時間：1～3000s可調(diào)；

電流波形：完全正弦；

（3）其他參數(shù)

防護等級：IP31；

環(huán)境溫度：0～40℃；

環(huán)境濕度：90%,無凝結(jié)；

海拔高度： 1860m；

高低速邏輯控制功能（加減速時間均可按工藝要求設(shè)定）；

具有標(biāo)準(zhǔn)PID控制功能；

具備故障查詢功能，與上位機聯(lián)機后可以打印故障；

支持DCS、ProfiBus網(wǎng)絡(luò)化運行；

支持遠(yuǎn)端操作顯示；

輸入輸出保護：輸入缺相、欠壓、過壓、過流；輸出過流、缺相、不平衡等；

內(nèi)部保護：過載、過熱、通訊故障、單元自動旁路故障單元等。

3 高壓變頻器供電原理

高壓變頻器供電原理如圖1所示。

圖1 高壓變頻器供電原理圖

圖1原理圖中，K1、K2、K3為變頻器的旁通柜，K1、K2與K3互鎖，對電機進(jìn)行變頻改造對原供電系統(tǒng)改動較小，可在較短時間內(nèi)完成改造工作，K3的作用可使變頻在有故障的情況下工頻旁通。

4 液力耦合器與高壓變頻器的運行對比

№1轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)的高壓變頻器于2003年8月開始安裝，9月20日隨改造后的№1轉(zhuǎn)爐和煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)同步投產(chǎn)。采用液力耦合器的№2、№3轉(zhuǎn)爐分別于10月和11月投運。在同一個風(fēng)機房內(nèi)有兩種不同的調(diào)速裝置在同時運行，為對比兩種類型的調(diào)速裝置運行效果創(chuàng)造了條件?！?、№3轉(zhuǎn)爐的液力耦合器在投運幾個月后相繼出現(xiàn)故障，分別于2004年3月和4月?lián)Q成了高壓變頻器。對液力耦合器和變頻器的運行過程進(jìn)行了考察和數(shù)據(jù)分析，其主要不同點如下：

（1）采用液力耦合器調(diào)速裝置，在低速向高速運行過程中，延遲性較明顯，不能快速響應(yīng)，一般需120～180s才能達(dá)到由低速到高速的過程；同時這時候的電流較大，如整定不好會引起高壓跳閘，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。而高壓變頻器響應(yīng)速度快，一般在1～3s由低速達(dá)到高速。在由高速到低速的過程，液力耦合器一般需要120～180s的時間；高壓變頻器一般需要90s左右的時間，否則，電機向電網(wǎng)饋電，高壓系統(tǒng)迅速跳閘，CRT顯示為高壓故障。

（2）液力偶合器控制精度差，在設(shè)定調(diào)速轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)速在不停的跳動，基本上不能固定在設(shè)定數(shù)值上，這主要是液力耦合器的滑差和勺管受設(shè)備振動上下躥動的結(jié)果。高壓變頻器可恒定在設(shè)定轉(zhuǎn)速上，而不受設(shè)備振動影響。

（3）液力耦合器調(diào)速范圍窄，通常在30％～97％之間；高壓變頻器可在5～100％之間。液力耦合器不能實現(xiàn)電機和風(fēng)機同步轉(zhuǎn)速，這是大家都知道的，而變頻器可實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速。

（4）電機啟動時，采用液力耦合器時沖擊電流較大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定，而變頻器沒有此問題，可實現(xiàn)零電流到額定電流的平緩過渡。

（5）在風(fēng)機高速運行時，液力耦合器有丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象（其它工程也出現(xiàn)過這種情況），影響煙塵捕集效果，相對的變頻器運行穩(wěn)定。

（6）液力耦合器在調(diào)速運行時產(chǎn)生機械損耗和轉(zhuǎn)差損耗，效率較低，造成電能浪費，而變頻器實現(xiàn)了風(fēng)機和電機的直聯(lián)運行不存在此問題。

（7）液力耦合器工作時是通過一勺管調(diào)整工作腔的充油量，從而改變傳遞扭矩和輸出轉(zhuǎn)速來滿足工況要求。因此，對工作腔及供油系統(tǒng)需經(jīng)常維護及檢修。相對的液力耦合器經(jīng)過一段時間使用后，其維護費用較高。變頻器相對維護費用低。

（8）液力耦合器故障時，無法再用其它方式使其拖動的風(fēng)機運行，必須停機檢修。變頻器故障時可旁路通過，不影響風(fēng)機運行。

（9）采用液力耦合器時風(fēng)機和電機的運行噪音大，達(dá)到90dB（A）左右，影響操作人員的身體健康。

5 液力耦合器與高壓變頻器運行的經(jīng)濟性分析

轉(zhuǎn)爐改造后冶煉周期為23min，其中吹氧時間為10～12min，其它為13～11min。高速狀態(tài)變頻器為43Hz（2500r/min）；低速狀態(tài)變頻器為18Hz（1000r/min）。當(dāng)煤氣風(fēng)機在額定轉(zhuǎn)速下運行時，風(fēng)機振動很大，葉輪檢修周期縮短，影響鋼產(chǎn)量，因此，生產(chǎn)廠決定將風(fēng)機高速設(shè)定為2500r/min。

每一冶煉周期煤氣風(fēng)機高速運行狀態(tài)平均所需時間為10min，低速狀態(tài)平均所需時間為13min；按年工作8000h計算，則在一年里高速狀態(tài)的時間約3480h，低速狀態(tài)約4520h。采用變頻器和液力耦合器當(dāng)煤氣風(fēng)機運行在高速狀態(tài)和低速狀態(tài)時的電機輸入電壓和電流的實測值見附表。根據(jù)公式（1）可計算出采用高壓變頻器和液力耦合器在風(fēng)機高、低速運行時電機的實耗功率也請如附表所示。

附表 風(fēng)機高、低速運行時參數(shù)對比表

(1)

式中：P —電機實耗功率，kW；

I —輸入電機的電流，A；

V —輸入電機的電壓，kV；

Cosφ—功率因數(shù)。

采用變頻調(diào)速和采用液力耦合器調(diào)速與采用變頻器調(diào)速裝置運行的節(jié)能率是按公式（2）計算的。

(2)

式中： η —高壓變頻器節(jié)能率，％；

PE —采用高壓變頻器時電機實耗功率，kW；

PO —采用液力偶合器時電機實耗功率，kW。

從附表可看出，采用變頻器調(diào)速，有良好的節(jié)能效果，每年可節(jié)約電能593840kW·h，按0.54元/kW·h計算，每年可節(jié)約電費32萬元，設(shè)備費高出部分的投資約3年即可收回。

6 關(guān)于液力耦合器調(diào)速的思考

不改變異步電機同步轉(zhuǎn)速no的交流調(diào)速系統(tǒng)稱為有轉(zhuǎn)差調(diào)速系統(tǒng)，液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)就是典型的轉(zhuǎn)差調(diào)速系統(tǒng)，該種調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)差損耗ΔPs，調(diào)速后節(jié)約功率的標(biāo)定值G(s)為：

(3)

式中： n —電機運行轉(zhuǎn)速，r/min；

no —電機同步轉(zhuǎn)速，r/min。

液力耦合器在有風(fēng)機等負(fù)載轉(zhuǎn)矩M時，ΔPs、(s)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同負(fù)載時ΔPs、G(s)與n/n0的關(guān)系曲線

由圖2看出風(fēng)機在額定轉(zhuǎn)速的0.667時轉(zhuǎn)差損耗最大，此時液力耦合器效率最低。因此，在工程工況設(shè)計和系統(tǒng)運行管理中應(yīng)避免出現(xiàn)此種調(diào)速狀態(tài)，一般情況應(yīng)采用低速為0.3額定轉(zhuǎn)速，高速為額定轉(zhuǎn)速下運行，采用高壓變頻器低速可設(shè)為0.1額定轉(zhuǎn)速。

7 高壓變頻器的優(yōu)點

（1）高壓變頻器運行穩(wěn)定，安全可靠。使用液力耦合器大約40天左右，就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來很大的經(jīng)濟損失。變頻器具有免維護的特點，在不停機狀態(tài)下定期更換柜門上的通風(fēng)濾網(wǎng)即可，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

（2）節(jié)能效果較為顯著，大大降低了噸鋼能耗。

（3）電動機實現(xiàn)了真正的軟啟動、軟停運，變頻器提供給電機的無諧波干擾的正弦波電流，降低了電機的故障次數(shù)。同時，變頻器設(shè)置共振點跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風(fēng)機會處于共振點運行的可能性，使風(fēng)機工作平穩(wěn)，風(fēng)機軸承磨損減少，延長了電機和風(fēng)機的使用壽命和維修周期，提高了設(shè)備的使用壽命。

（4）變頻器自身保護功能完善，同原來繼電保護比較，保護功能更多，更靈敏，大大加強了對電機的保護。

（5）變頻器同現(xiàn)場信號采用可靠的連接方式，控制方便，性能可靠，滿足煉鋼生產(chǎn)的需要。變頻器內(nèi)置有PLC，現(xiàn)場信號接入靈活。在控制邏輯上，由現(xiàn)場（轉(zhuǎn)爐）為變頻器提供一對高速、低速節(jié)點，變頻器按照節(jié)點的狀態(tài)自動高速、低速往復(fù)運行；由變頻器自身的頻率輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)速測定，可以取消原來同電機相連的測速器，由變頻器為現(xiàn)場直接提供電機轉(zhuǎn)速指示。

（6）設(shè)備適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動能力強，有時電網(wǎng)電壓高達(dá)6.9kV，或者電壓低至5.5kV變頻器仍能正常運行。

（7）同液力耦合器比較，在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承或者對液力耦合器進(jìn)行維修，避免了機油對環(huán)境的污染，使風(fēng)機房的現(xiàn)場環(huán)境有了極大改善。

（8）由于電機降速運行以及工作在高效率區(qū)，因此電機和軸承的溫升都明顯低于采用液力耦合器的系統(tǒng)，可延長風(fēng)機系統(tǒng)的使用壽命。

高壓變頻器有比較好的節(jié)能效益，具有高效率、高精度、寬調(diào)速范圍的調(diào)速性能，完善的保護功能和自控功能，近年來在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

轉(zhuǎn)爐煉鋼廠需要配置調(diào)速的除塵系統(tǒng)比較多，如轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)（一次除塵系統(tǒng)），轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)，混鐵爐、倒罐站除塵系統(tǒng)等等。目前國內(nèi)采用高壓變頻器用于這些除塵系統(tǒng)調(diào)速的比較少，有認(rèn)識上的問題，也有技術(shù)和經(jīng)濟方面的問題。采用高壓變頻器調(diào)速可使風(fēng)機工作狀態(tài)調(diào)整到準(zhǔn)確的工藝要求工況，可以節(jié)電、節(jié)約冷卻水、降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。在轉(zhuǎn)爐煤氣回收上還可增加煤氣回收量，降低噸鋼能耗，提高能源利用率。

高壓變頻器在高速到低速的切換時間上需要進(jìn)一步改進(jìn)，重點解決向電網(wǎng)饋電問題，同時在防塵要求方面應(yīng)降低苛刻要求，提高變頻器的適應(yīng)環(huán)境，解決變頻器的散熱問題，通風(fēng)散熱方式應(yīng)進(jìn)一步改善。