转炉一次除尘风机高压变频改造

前言
众所周知，钢铁工业是我国国民经济的支柱产业，也是资源、能源、资金、技术和劳动力密集行业和污染排放大户。

近年来，我国钢铁工业通过结构调整和技术进步，在节能降耗、减少污染物排放方面取得了显著成效。

及微量其它成分高温气体。

炼钢厂转炉吹炼过程中，会产生大量含有CO、少量CO
2
在气体中央带着大量氧化铁、金属铁和其他颗粒细小的固体烟尘即炉口观察到得棕红色浓烟这股高温含尘气流冲出炉口进入眼罩与净化系统，在气体流出炉口进入烟罩的同时，或多或少地吸入部分空气使CO燃烧。

转炉烟气的特点是温度高、气体多、含尘量大，气体具有毒性与爆炸性，必须对转炉烟气进行净化处理。

转炉一次除尘就担任了此项任务。

除尘风机是除尘系统的关键设备，一旦除尘风机不能正常工作，不仅耽误生产、影响质量，还有可能对现场工作人员的人身安全造成威胁。

现在除尘风机大多数采用液力耦合器控制，由于采用液力耦合器存在调速范围有限、调速精度低、线性度差、漏油严重、环境污染大等缺点。

而通过使用变频器控制风机后，不仅能解决使用液力耦合器时带来的缺点，而且改善了工艺过程，根据工艺需求自动调节风量，同时提高了生产工艺自动化程度，实现除尘风机自动调节，精简了控制程序，使操作更加方便，提高了生产效率，从而达到了节能降耗的目的。

其综合效益是特别明显的。

目录
1、课题提出的目的以及意义 (1)
2、转炉一次除尘系统简介 (1)
2.1转炉一次除尘系统的目的 (1)
2.2工艺参数 (1)
2.3转炉一次除尘工艺结构图 (2)
2.4转炉一次除尘系统结构 (2)
2.5转炉一次除尘工艺概述 (3)
2.6转炉一次除尘工艺流程图 (3)
3、一次除尘电动机及风机设备主要参数 (3)
3.1电动机 (3)
3.2除尘风机 (4)
4、转炉除尘风机的工艺要求 (5)
4.1转炉工作一个工艺周期的工艺流程图及分析 (5)
5、风机的控制方式主要有二种 (5)
5.1通过液力耦合器控制风机 (5)
5.2通过变频器控制风机 (6)
6、风机控制的具体实现 (9)
6.1电机和风机监控主要数据表 (9)
6.2除尘风机控制系统图 (9)
6.3除尘风机控制系统的分析 (9)
7、节能 (10)
7.1节能原理 (10)
7.2节能分析 (11)
总结 (12)
主要参考文献 (13)
附图 (14)
1 课题提出的目的以及意义
目前，在转炉除尘风机运行上大多采用液力耦合器进行调速控制，它比直接调整风门前进了一步，提高了负载的功率因数，改善了电机的启动冲击，传递功率大，操作维修简单。

但其滑差功率损失较大，调速范围相对较窄，速度变化跟随慢，节能效果较差。

随着国家对环境保护的日益加强，企业挖潜增效的日益深入，生产现场需要调速范围宽，生产效率高，节能效果显著，并能在原有设备基础上，方便地改造电气装置，优化除尘风机的控制。

变频调速装置可以方便地实现上述除尘风机的控制要求，变频器具备软启动、软停止、频繁启动不会对设备及电网产生冲击，速度跟随快，节能显著的功能。

故当转炉在非吹炼期间风机没有除尘任务时，可以减速运行，并利用减速过程的惯性再用高压水对叶轮进行冲洗。

在实际的工艺控制过程中，可根据实时检测烟道烟尘浓度或氧枪工作信号与调速系统构成闭环控制方式，实现风机自动调速控制运行。

2 转炉一次除尘系统简介
2.1转炉一次除尘系统的目的
及微量其它成分高温气体。

在气体转炉吹炼过程中，会产生大量含有CO、少量CO
2
中央带着大量氧化铁、金属铁、其他颗粒细小的固体烟尘。

即炉口观察到得棕红色浓烟。

这股高温含尘气流冲出炉口进入眼罩与净化系统，在气体流出炉口进入烟罩的同时，或多或少地吸入部分空气使CO燃烧。

转炉烟气的特点是温度高、气体多、含尘量大、气体具有毒性与爆炸性。

所以必须对转炉烟气进行净化处理。

一次除尘就是将烟气冷却、净化、由引风机将其排至烟筒放散或输送到煤气回收站备用。

2.2工艺参数
转炉公称容量50t
转炉座数 2座 2吹2
铁水装入量最大44t
冶炼周期 30min 其中吹氧时间16～18min
脱碳速度最大0.5%/min
表1 脱碳速度表
表2 原始炉气温度和成分表
名称温度CO CO2N2O2
前烧期1450℃60% 30% 9% 1.0%
中烧期1550℃86% 10% 3.5% 0.5%
后烧起1600℃65% 25% 9% 1.0%
表3 烟气净化后成分表
CO CO2N2O2
64.3% 15.4% 16.3% 0.4%
2.3转炉一次除尘工艺结构图
图1 除尘工艺结构图
2.4转炉一次除尘工艺结构：
一级溢流文氏管（一文）、二级文氏管（二文）、除尘鼓风机、煤气柜、放散烟筒等构成。

一级文氏管（一文）作用：主要起消火、粗净化和降温的作用；
二级文氏管（二文）作用：起精细净化作用；
煤气柜：主要储存回收后的煤气；
放散烟筒：主要用于排放烟气。

2.5转炉一次除尘工艺概述
转炉1500度的高温烟气经汽化冷却烟道冷却至800～1000度后，进入洗涤塔，其中设有一级溢流文氏管、二级文氏管、旋流脱水器等，使烟气在一级溢流文氏管经降温和粗除尘后，在脱水器（I）脱出污水，然后再二级文氏管中进一步净化，并经脱水器（II）脱水，进入鼓风机。

煤气经三通切换阀，水封逆止阀后进入煤气柜，供用户使用，不回收时烟气经三通切换阀和放散烟筒点燃放散。

一级文氏管除尘污水从脱水器（I）排入污水处理系统。

污水经粗粒分离池、辐射沉淀池澄清后，浊环水供二级文氏管喷淋，其排出的污水经水泵供给一文除尘用，实现串级供水。

经辐射沉淀池浓缩的泥浆送至中间罐，由泵打入板框压缩机进行脱水，脱水后含水率30%的泥饼通过汽车送往烧结厂利用。

条件允许时也可将辐射沉淀池的泥浆用泵直接送往烧结厂，经进一步浓缩后，供烧结厂混作原料配水使用。

2.6转炉一次除尘工艺流程图
图2 除尘工艺流程图
3 一次除尘电动机及风机设备主要参数
3.1电动机：
型号：YBKS560---2
额定电压：10KV
额定电流：110A
功率：1250KW
功率因数：0.89
额定转速：2400r/min
轴承报警温度和停机温度：80度、85度
轴瓦报警温度和停机温度：75度、80度
定子报警温度和停机温度：135度、140度
3.2除尘风机
除尘风机是除尘系统的关键设备，一旦除尘风机不能正常工作，不仅耽误生产、影响质量，还有可能对现场工作人员的人身安全造成威胁。

图3 除尘风机
3.2.1风机各项参数
型号：AII1300----1.124/0.787
额定电压：10KV
额定电流：107.5A
进口流量：1300m /min
出口压力：1.124×98KP
轴承报警温度和停机温度：75度、80度
轴瓦报警温度和停机温度：70度、75度
3.2.2结构
本产品结构：该风机为单级吸入、单极、双支承结构。

3.2.3工作原理
离心鼓风机是把原动机（电动机）的机械能转变为气体压力能和速度能的一种机械。

气体经进气室均匀地进入叶轮，在叶轮片的作用下，随着叶轮高速旋转。

气体由于受到离心力的作用，以及在叶轮里的扩压流动，使气体通过叶轮后的压力和速度得到了提高。

由叶轮排出的高压、高速气体在流经扩压器后其流动速度逐渐减慢而压力进一步提高。

最后通过蜗壳将气体汇集起来（蜗壳也具有一定的减速扩压作用）。

由圆形出口排送到工艺流程中。

4 转炉除尘风机的工艺要求
4.1转炉工作一个工艺周期的工艺流程图及分析
在B点，工艺要求风机转速迅速升高，B→C点时间应为30s 。

在C点，风机达到高速运转，C→D的时间为12.5～14min ；在D点，工艺要求风速从高速降到中速；在E点，风速应从中速降到低速，B→C和D→E时间均应为30s ，这样就完成了一次炼钢周期。

从转炉工作情况看，转炉每个冶炼周期为30min左右，吹炼时间和装、出料的时间基本各占一半，风机在转炉吹炼时高速运行，在吹炼后期及补吹时中速运行，而在出钢和装料期间可将速度降低到额定转速的10%～15% ，低速运行，即可满足转炉冶炼工艺的除尘要求。

5 风机的控制方式主要有二种
5.1 通过液力耦合器控制风机
5.1.1液力耦合器的简要介绍
（1）液力耦合器：液力耦合器是一种液力传动装置，又称液力联轴器。

（2）液力耦合器各项参数：
型号：YOTGC450防爆调速型；
输入转速：2900r/min；
传递功率范围：900～1600kW；
额定滑差率：1.5～3%；
（3）基本结构：液力耦合器其结构主要由壳体、泵轮、涡轮三个部分组成。

（4）液力耦合器基本原理：电动机运行时带动液力耦合器的壳体和泵轮一同转动，泵轮叶片内的液压油在泵轮的带动下随之一同旋转，在离心力的作用下，液压油被甩向泵轮叶片外缘处，并在外缘处冲向涡轮叶片，使涡轮在受到液压油冲击力而旋转;冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动，返回到泵轮内缘，然后又被泵轮再次甩向外
缘。

液压油就这样从泵轮流向涡轮，又从涡轮返回到泵轮而形成循环的液流。

液力耦合器中的循环液压油，在从泵轮叶片内缘流向外缘的过程中，泵轮对其作功，其速度和动能逐渐增大;而在从涡轮叶片外缘流向内缘的过程中，液压油对涡轮作功，其速度和动能逐渐减小。

液压油循环流动的产生，是泵轮和涡轮之间存在着转速差，使两轮叶片外缘处产生压力差。

液力耦合器工作时，电动机的动能通过泵轮传给液压油，液压油在循环流动的过程中又将动能传给涡轮输出。

液压油在循环流动的过程中，除受泵轮和涡轮之间的作用力之外，没有受到其他任何附加的外力。

根据作用力与反作用力相等的原理，液压油作用在涡轮上的扭矩应等于泵轮作用在液压油上的扭矩。

5.1.2采用液力耦合器控制风机存在的缺点
（1）调速范围有限，约为50%～95%，转速不稳定，高速段减小了设备的出力能力，低速段影响节能效益的发挥；
（2）调速越低时效率越低，低速时发热厉害；
（3）调速精度低，线性度差，响应慢，不大适应自动控制要求；
（4）电机虽然可以不带载启动，但仍然有5倍左右的冲击电流，影响电网稳定；
（5）必须串入电机和机械负载的连接轴中，不适合于设备改造，液力耦合器故障时，没有工频旁路系统，负载机械将无法运转，必须停机检修；
（6）漏油严重，对环境污染大，可靠性差，维修难度大，严重浪费人力及影响生产。

5.2通过变频器控制风机
5.2.1通用变频器结构
主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

5.2.2通用变频器基本原理
（1）主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

①整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。

也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

②平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉
动电压（电流）。

装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

③逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

（2）控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它由频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

①运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

②电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

③驱动电路：驱动主电路器件的电路。

它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

④速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

⑤保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

5.2.3高压变频调速系统原理
高压变频调速系统采用直接“高-高”变频方式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串并联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总体谐波畸变小于4%，可直接满足谐波抑制标准的要求。

其工作原理如下：
（1）电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交－直－交pwm电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。

高压变频调速系统每相由5个功率单元串联而成，输出相电压最高可达3500v，线电压达6kv左右，每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/5相电压和1/15的输出功率。

（2）每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。

给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为5个不同的相位组。

输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真小于1%，输入的综合功率因数可达0.95以上。

（3）逆变器输出采用多电平移相式pwm技术，同一相的功率单元输出相同幅值和
相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定的电角度，实现多电平pwm，输出电压非常接近正弦波，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，由于采用移相式pwm，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加，有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热、噪音和转矩脉动都大大降低，因此对电机没有特殊要求，可直接用。

5.2.4 采用高压变频器对除尘风机控制的主要优点
（1）改善工艺过程，根据工艺需求自动调节风量，同时提高了生产工艺自动化程度，实现除尘风机自动调节。

（2）变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多，更灵敏，大大加强了对电机的保护。

（3）电动机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，降低了电机的故障次数。

同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机长期在共振点运行，使风机工作平稳，风机轴承磨损减少，延长了电机、风机的使用寿命和维修周期，提高了风机的利用时率。

（4）同液力耦合器比较，在加速期间大大减小了噪声，削弱了噪声污染。

由于不用定期拆换轴承，减少了机油对环境的污染，使风机房的现场环境有了极大改善。

（5）改造后，精简了控制程序，使操作更加方便，提高了生产效率，从而达到了节能降耗的目的。

其综合效益是特别明显的。

5.2.5选用的高压变频器的各项参数
型号：HIVERT—Y 10/115
额定电压：10KV
额定容量：1600KV A
额定频率：50HZ
调制技术：空间矢量控制的正弦波PWM技术
输入功率因数：>0.96
效率：>0.96变频部分>0.98
5.2.6高压变频器控制原理图
图5 高压变频控制原理图
6 风机控制的具体实现
6.1电机和风机监控主要数据表
表4 电机及风机数据表
名称温度报警/停机
风机轴瓦>=70℃报警
风机轴瓦>=75℃停机
风机轴承>=75℃报警
风机轴承>=80℃停机
电机轴瓦>=75℃报警
电机轴瓦>=80℃停机
电机轴承>=80℃报警
电机轴承>=85℃停机
电机定子>=135℃报警
电机定子>=140℃停机
6.2除尘风机控制系统图
6.3除尘风机控制系统的分析
（1）除尘风机控制系统主要由人机界面、PLC(可编程序控制器)、高压变频器、电动机、除尘风机等设备构成。

（2）①人机界面：即电脑操作画面，主要监控整个除尘风机系统运行的情况，操作界面时时显示监控数据（如电机轴承、轴瓦温度等），设备发生故障时，画面上呈现报警状态，对此操作人员就可以去做相关的工作。

②PLC(可编程序控制器）在整个除尘风机控制系统中起控制作用，传感器将信号时时送往PLC，PLC依据相关的程序去处理。

③高压变频器：主要起调速作用；
④电动机：主要起传动作用，带动除尘风机运行；
⑤除尘风机：除尘风机是除尘系统中的关键设备，一旦除尘风机不能正常工作，
不仅耽误生产、影响质量，还有可能对现场工作人员的人身安全造成威胁。

（3）①电动机的轴瓦、轴承、定子温度通过温度传感器来进行检测，传感器将温度信号送到PLC，PLC依据相关程序进行处理。

如果温度达到报警状态时，人机界面会呈现出温度报警画面，此时操作人员就可以通过人机界面的报警去做相关的工作；如果温度达到停机状态时，PLC会将停机信号送到变频器，变频器就停止工作，电动机也就停止工作了。

②风机的轴瓦、轴承温度通过温度传感器来进行检测，传感器将温度信号送到PLC，PLC依据相关程序来进行处理。

如果温度达到报警状态时，人机界面就会呈现出报警画面，此时操作人员通过人机界面的报警去做相关的工作；如果温度达到停机状态时，PLC 会将停机信号送到变频器，变频器就会停止工作，电动机也就停止工作了。

③风机润滑系统入口压力由压力传感器来进行检测，传感器将信号送到PLC，PLC 会依据相关程序进行处理。

如果温度达到报警时，人机界面会呈现出报警的画面，操作人员通过人机界面的报警来做相关的工作；如果压力达到停机状态时，PLC会将停机信号送到变频器，变频器就会停止工作，电动机也就停止工作了。

④风机管道入口、出口压力、温度、流量检测通过压力、温度、流量传感器来检测，传感器将信号送到PLC，PLC依据相关程序进行处理。

如果压力、温度、流量达到报警状态时，人机界面就会呈现出报警画面，此时操作人员通过人机界面的报警去做相关的工作；如果压力、温度、流量达到停机状态时，PLC会将停机信号送到变频器，变频器就会停止工作，电动机也就停止工作了。

⑤根据前面除尘风机的速度曲线可以得出除尘风机需要三个速度段即低速、中速、高速。

风机在转炉吹炼时须高速运行，而在吹炼后期及补吹时须中速运行，在出钢和装料期间可将速度降低到额定转速的10%-15%,低速运行。

7 节能
7.1 节能原理
交流异步电动机的输出转速由下式确定：
n=60f(1-s)/p
变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。

当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变风机的性能曲线，使风机的额定参数满足工艺要求，根据风机的相似定律，变速前后流量、压力、功率与转速之间关系为：
q1/q2=n1/n2
h1/h2=( n1/n2)2
p1/p2=( n1/n2)3
q1、h1、p1——风机在n1转速时的流量、压力、功率；
q2、h2、p2——风机在n2转速时相似工况条件下的流量、压力、功率。

假如转速降低一半，即：n2=1/2，则p2/p1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。

当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为0.96，低速运行时工作电流要比电机额定电流值低许多。

由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。

7.2 节能分析
转炉炼一炉钢的周期大约为30min，分为进料、吹氧、出料三个步骤，高速19min，运行在50Hz左右；低速6min，运行在15Hz左右。

用液耦调速的工频运行状态下，高速时电流为120A，低速时电流为50A。

根据除尘风机的运行记录，全年工作时制按8000h，平均电价按0.55元/kw.h计算，得到如下数据：
（1）电动机在工频状态下的耗电量计算由公式pd =3×u×i×cosφ得出：
高速时pd=3×10×120×0.88=1097kw
低速时pd=3×10×50×0.8=416 kw
则1250kw电机用液耦调速工频运行时，这2台总的年耗电量计算如下：
cd=(1097×19+416×6)/20×8000×2+416×8000=17611200≈1761.1万kw·h
工频电费=17611200×0.55=9686160≈968.6万元
（2）电动机在变频状态下的耗电量计算由相似定律公式p1/p2=(n1/n2)3得出：
高速时pb=1000kw
低速时pb=(15/50)×(1250/0.5/0.9)=75 kw
则1250kw电机若用高压变频器调速运行时，这1台总的年耗电量计算如下：
cb=(1000×19+75×6)/20×8000×2=11560000≈1156.0万kw·h
变频电费=11560000×0.55=6358000≈635.8万元
（3）变频改造后，可计算出改造1台变频器，其节电情况如下：
年节电量：δc=cd－cb=17611200－11560000=6051200≈605.1万kw·h
年节电费=9686160－6358000=3328160≈332.8万元
节电率=(δc/cd)×100%=(6051200÷17611200)×100%=34.3%
总结
我所设计的课题是关于炼钢厂转炉一次除尘风机用高压变频器控制。

通过这段时间的学习，让我了解到了它们在炼钢厂中的重要地位，由于它们所具有的优越性，使它们以很快的速度不断发展。

一个多月的毕业设计即将结束，在这个过程中，使我学到了很多东西，对所学的专业知识有了新的认识，丰富了我的知识面。

通过这次的设计也使我认识到我对这方面的专业知识知道的太少，对于书本上的很多知识还不能灵活运用，有很多我们需要掌握的知识在等着我去学习，我会在以后的学习生活中弥补我所缺少的知识。

这次毕业设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。

在大学课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学到的运用到我们现实的工作与生活中去，这次毕业设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习和生活当中不断的磨练自己，使自己能够适应当今社会的激烈竞争。

此外，在查找资料的过程中，也让我变得勤奋起来，让我学会了如何利用自己身边的工具，让它们发挥最大的用途，帮助我不断提升自己。

相信这段时间会成为我一生美好的回忆。

主要参考文献
［1］张军常《变频调速控制技术在除尘风机上的应用》北京：冶金工业出版社，2005 . ［2］黄新发《风机水泵交流调速节能技术》北京：机械工业出版社，2001.
［3］张学义《除尘技术手册》北京:冶金工业出版社，2002
［4］石秋洁《变频器应用基础》北京：机械工业出版社，2003
［5］吴光兴、张大中《除尘技术的基本理论与应用》北京：中国建筑工业出版社，1999 ［6］孔熠《新编风机选型设计使用手册》北京：中国知识出版社，2006。