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一、概述：

　　鋼鐵廠以其資源密集、能耗密集、生產(chǎn)規(guī)模大、物流吞吐量大等特點(diǎn)，長期以來一直被認(rèn)為是煙塵排放量大、廢棄物多、污染大的企業(yè)。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(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煉鑄用。電爐煉鋼時(shí)產(chǎn)生的有害物污染主要體現(xiàn)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)按照氧化期的最大煙塵排量進(jìn)行設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)最大風(fēng)量需求的基礎(chǔ)上增加1.1~1.3倍的安全閾度進(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30~35%，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。很顯然，除塵系統(tǒng)的利用率很低且系統(tǒng)效率差。

　　長期以來，不論電爐處于哪一個(gè)運(yùn)行階段，產(chǎn)生的粉塵大小均使除塵風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，采用入口擋板開度調(diào)節(jié)，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。

　　而在九十年代開始廣泛應(yīng)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。現(xiàn)在，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。

　　大冶特鋼集團(tuán)某煉鋼廠正是在這種狀況下，對電爐除塵系統(tǒng)進(jìn)行高壓變頻技術(shù)改造研究的。該電弧爐除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖一所示。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，以免危及電爐周邊工作人員的安全、污染環(huán)境。除塵風(fēng)機(jī)是將煙氣吸收排放的主要設(shè)備。

圖一 電弧爐除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、系統(tǒng)技術(shù)方案研究：

　　大冶特鋼集團(tuán)某煉鋼廠#8電爐為擴(kuò)容的70t ABB交流電弧爐。除塵器系統(tǒng)采用TFMC布袋式除塵器，設(shè)計(jì)過濾面積11985m2，最大除塵風(fēng)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(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(fēng)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(tǒng)中除塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式和設(shè)備特點(diǎn)，對除塵風(fēng)機(jī)的控制制定如下方案。

    2．1 設(shè)備參數(shù)：

    除塵風(fēng)機(jī)參數(shù)： 電動機(jī)參數(shù)： 熱變電阻柜參數(shù)： 變頻器技術(shù)指標(biāo)：

    型號：Y4-73 No31.5F 型號：Y6304-8 型號：HTR 5-2 型號：Harsvert-A06/220

    流量：456200m3/h 額定電壓：6000V 額定電壓：6000V 輸入電壓：6000V

    風(fēng)壓：352kPa 額定電流：185A 額定電流：200A 額定電流：220A

    軸轉(zhuǎn)速：730r/min 額定轉(zhuǎn)速：741r/min 額定頻率：50Hz 額定頻率：50Hz

    軸功率：1470kW 額定功率：1600kW 額定容量：2000kVA 輸出電壓：0~6000V

    輸出頻率：0~50Hz

    額定容量：2000kVA

2．2 系統(tǒng)電氣構(gòu)成

　　根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝情況，選用利德華福生產(chǎn)的Harsvert-A型變頻器作為主件，該變頻調(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)圖如圖二所示。6kV電源通過母線段網(wǎng)側(cè)高壓開關(guān)DL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)動三相異步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)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／變頻兩套動力系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)變頻運(yùn)行時(shí)，斷開隔離開關(guān)QS21、QS22；合隔離開關(guān)QS11、QS12。由變頻器啟停設(shè)備，實(shí)現(xiàn)除塵風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)量控制。當(dāng)變頻線路出現(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)QS11、QS12；合隔離開關(guān)QS21、QS22。由原除塵系統(tǒng)通過熱變電阻柜啟動風(fēng)機(jī)，入口擋板控制風(fēng)量。

圖二 除塵風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的主接線結(jié)構(gòu)圖

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，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)。基于上述原因，選用除塵煙道的煙氣溫度作為現(xiàn)場過程量。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)量自動控制、降低運(yùn)行人員勞動強(qiáng)度、提高系統(tǒng)效率，達(dá)到最佳的節(jié)電效果。具體的控制邏輯見圖三所示。

圖三

　　為了保證系統(tǒng)的可靠性，另外增加了除塵風(fēng)量手動控制回路，對除塵風(fēng)量的控制采用分段調(diào)速的方式由爐前操作臺控制變頻運(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)。控制邏輯圖如圖四所示。

圖四

　　實(shí)踐證明：系統(tǒng)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，很好的滿足了現(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，降低噸鋼能耗方面起到了積極作用。

三、系統(tǒng)特點(diǎn)：

    變頻調(diào)速技術(shù)在電爐除塵系統(tǒng)中應(yīng)用后，主要體現(xiàn)了以下幾個(gè)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． 大大有效降低了除塵系統(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。

四、節(jié)能分析：

　　為了對除塵系統(tǒng)變頻改造后的效果進(jìn)行評價(jià)，在系統(tǒng)投入正常運(yùn)行一個(gè)月后對設(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。

　　隨機(jī)抽取一個(gè)正常生產(chǎn)日，將系統(tǒng)切換至工頻運(yùn)行系統(tǒng)采用擋板控制調(diào)節(jié)風(fēng)量。采用網(wǎng)側(cè)有功電度表進(jìn)行耗電量計(jì)量，見表1。然后，連續(xù)采集變頻運(yùn)行的7個(gè)正常生產(chǎn)日用電量進(jìn)行變頻運(yùn)行工況下的單耗計(jì)算，以期變頻運(yùn)行的數(shù)據(jù)更接近真實(shí)運(yùn)行工況，具體數(shù)據(jù)采樣值見表1。

表一

　　通過對上表原始數(shù)據(jù)的處理，可以得出：除塵系統(tǒng)在變頻改造后較改造前，噸鋼除塵電耗降低了17.390kW·h。設(shè)備節(jié)電率高達(dá)58.63%，節(jié)能效果顯著。

工頻運(yùn)行時(shí)記錄曲線

變頻運(yùn)行時(shí)記錄曲線

　　截取工頻運(yùn)行時(shí)煉一爐鋼除塵風(fēng)機(jī)電流運(yùn)行記錄曲線和變頻運(yùn)行時(shí)煉一爐鋼的網(wǎng)側(cè)電流記錄曲線比較，可以直觀的看出風(fēng)機(jī)電流降低明顯，設(shè)備運(yùn)行工況更符合實(shí)際生產(chǎn)工藝需要。

五、結(jié)論：

    通過對大冶特鋼集團(tuán)某煉鋼廠#8電爐除塵系統(tǒng)變頻改造前后的技術(shù)分析，可以看出：在電弧爐除塵系統(tǒng)中應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)不僅對有效改善現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，提高鋼產(chǎn)量降低噸耗有著重要的意義；而且每年可節(jié)約230萬元左右的電費(fèi)開支。在電弧爐除塵系統(tǒng)中應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)是完全正確的。