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东芝三菱水冷高压变频器在首钢京唐烧结主抽风机上的应用

来源:中自网发布时间:2024-04-02 15:41:02

1 项目概述

首钢京唐有两台烧结机,每台烧结机2台主抽风机。采用9735kW的同步电机,运行时用风门调节风量。4台电机用2台LCI变频器进行二拖四的软启动,工频运行不节能。主抽风机的年运行时间长,年耗电量极大。

首钢京唐拟对烧结主抽风机进行变频调速节能改造。原变频软启动系统保留,须解决新变频器与原变频器之间的切换和逻辑闭锁关系。同时要解决变频器的冷却。拟采用水冷变频器和空水冷,同时还要配外水冷却塔。原励磁柜和原变频器保留。增加新变频器用的新励磁柜,以及新旧励磁柜的切换柜。还配备了PLC控制系统。

2 整体改造方案

系统配置:保留原二拖四LCI变频软启动系统。新增4台水冷变频器,配套输出隔离开关,变频器进线高压开关。提供新变频器用的励磁柜及励磁切换柜。变频器的水冷柜。提供变压器配套的空水冷和吊顶风道。还配套外水冷却系统,和PLC控制系统。因此整个系统除了变频器以外还有很多其他设备。

电动机参数:

额定电压:10kV

额定电流:638A

额定转速:1000rpm

功率因数:0.9(超前)

励磁方式:交流无刷励磁

风机额定参数:

额定风压:19kPa

额定风量:25000m3/min

3 烧结主抽风机的电能消耗及变频节能的原理

烧结是为高炉生产颗粒性原料矿的。主抽风机负压运行,平常通过风门开度调节风压。主抽风机风压高,风量大,功率极大,是烧结厂功率最大的设备。

主抽风机的额定风压为19kPa。风门关少时,风门上有风压降。需要的负压减少,风门后的实际风压高于额定风压,约19.5kPa左右。工艺要求的负压在16-17kPa,平均16.5kPa左右,风门上的风压降约3kPa左右。这些风压降在风门上产生截流损耗。节能节的就是风门上的风压降。

可以用变频器通过调节电机的转速来降低风压,满足烧结的负压要求,风门全开,没有截流损耗,就可以达到节能的目的。节约的风门上的风压降,与风机在该风量下的最高风压之比,就是节电率。

实际净节电率会受变频器的损耗及冷却系统损耗的影响而略低。另外节电率还和风机系统是否有漏风有关。如有漏风,功率增大,风压降低,风压富裕量减少,则节电率降低。因此变频运行应治理漏风。烧结主抽风机的变频改造,满载净节电率在10%-15%左右。节电率虽然不高,但由于耗电功率大,年运行时间长,节电功率不少。而且钢铁行业的电价较高,则实际节电的效益还是非常可观的。

4 水冷或者空冷变频器的选择

4.1水冷变频器特点

(1)水冷变频器采用水冷散热器,用绝缘的纯水冷却功率单元。散热器内部有通内水的水槽。散热器输入和输出的插头和插座自密封,分离后不会漏水。由于水的比热容和比重都非常大,较小的流量可以带走大量的热量。水和散热器之间的换热效率高,进出水的温差小,冷却效果好。冷、热水的温差<2℃。正常负荷下温差约1℃左右。可以使整个散热器的温度均匀,温差极小。

(2)水温设计为35℃,41℃报警。内水通过板换和外水进行水-水热交换,换热效率高,内外水的温差小。因此对外水的温度要求,高于空水冷要求的33℃。可以和变压器的空水冷共用相同的外水。实际外水温度较低时,需要的流量可以减少。因此水冷变频器需要的外水流量,小于空冷变频器用空水冷的流量。

(3)水冷散热器冷热水在同一侧进出,温差小,整个散热器温度非常均衡。可以使所有功率元件和散热器接触面的温度均衡。水温和散热器之间的温差小,散热器的温度低,则功率元件的冷却效果非常好。因为功率元件的温度升高时,寿命缩短很快。因此降低散热器和功率元件的温度,可以大大延长元件使用寿命。这是水冷变频器的优点。

图1水冷散热器

(4)以下为水冷单元及水冷柜,以及单元柜的冷却水总管和各个单元之间的支管。支管长度很长,绝缘电阻与支管的长度成正比,即使冷却水的电导率升高,绝缘性能仍可以保证。

图2水冷单元

图3水冷柜

图4单元柜内的母管和支管

(5)每台变频器配一台水冷柜,制冷量相当于两台大功率空水冷的制冷量。体积却很小,耗水量远小于空水冷的耗水量。

(6)单元内部有电容放电电阻的损耗。单元柜有2台1.5kW的冷却风机,通风排向空水冷的吊顶风道,不进入室内,对室内温度无影响。

(7)水冷柜水泵功率5.5kW,运行功率4kW。2台风机和水泵的合计运行功率仅6kW,远小于空冷变频器加空水冷的风机运行功率。

(8)水冷变频器冷却效果好,需要的外水流量比空冷变频器用空水冷的流量小,风机功率小,冷却系统耗电少。可以降低对外水的流量和温度的要求。还可以使散热器的温度均衡,降低功率元件的温度,延长元件寿命。这都是水冷变频器的优点。

4.2空冷变频器的特点

(1)空冷变频器采用空冷散热器。冷却风通过散热器的翅片散热。由于空气的比热容和比重都非常小,因此需要的风量极大。翅片与空气之间的换热效率低。翅片温度比风温高得多。功率元件接触面的温度,比翅片的温度高,比风温则更高。另外冷风从散热器的入口到出口,温度逐渐升高,离开散热器的出风口风温,比进风口高很多。功率元件接触面的温度比出风温度更高。这就使散热器的温度极不均衡,功率元件接触面的温度很高。出风口位置的功率元件的温度更高,则空冷变频器的功率元件的温度比水冷变频器要高不少。会缩短元件的寿命。

图5空冷单元

(2)空冷变频器单元柜需要6台1.5kW的风机,通风量大。需要配两台大功率的空水冷,并用两套风道与空水冷连接。风道的风阻大,每台空水冷的增压风机功率5.5kW,风机总功率20kW,实际消耗约15kW。比水冷变频器多耗电9kW。而且两台空水冷的体积很大,风道的体积很大,用水量也极大。

4.3空水冷变频器的特点

变频器不论是水冷还是空冷,变压器都用空水冷。变压器的排风通过吊顶风道排向空水冷,冷却后排回室内。冬季室外温度即使达到零下10℃,冷却塔风机不开,水温不低,回风温度不低,室内温度在20℃上下。内水温度接近外水温度,水冷柜的管道不会被冻坏。可以保证水冷变频器内部水管的安全,内水无须加防冻液。

4.4水冷或空冷变频对水量和水温要求的对比

(1)水冷变频器,板换换热效率高,内、外水的温差小。内水供水和回水允许的温度高,允许有较大的温差。因此提高冷热水的温差,可以降低外水的流量。实际水冷柜的外水的流量,标准为18m3/h,实际即使降低到12m3/h,冷却效果也没有问题。则对外水流量的要求大大减少。可以降低外水循环泵的功率损耗。

(2)空冷变频器采用空水冷时,由于换热效率低,冷却后的出风温度比水温高不少,造成室内温度偏高。夏季水温33℃时,则室内温度38-40℃,对变频器的安全运行极为不利。因此为了降低温度,空水冷对水流量的要求非常大。单元柜的空水冷需要的水量为54m3/h。是水冷变频器要求水量的3倍。

(3)变压器都是空水冷。每台变频器的变压器用的空水冷,要求的水量为54m3/h。再加上水冷柜的水量18m3/h,合计水量为72m3/h。4台变频器合计水量要求为288m3/h。如果用空冷变频器加空水冷,则每台变频器需要的水量为108m3/h,4台变频器合计水量为432m3/h。比水冷变频器多144m3/h,多50%。

(4)水冷变频器需要的管径DN50,空水冷的管径为DN80。水冷变频器管道的管径和阀门小,施工成本低。

由于4台变频器在同一个房间内,水冷变频器的冷却效果比空冷变频器要好,因此用户决定用水冷变频器。这是今后大功率变频器的发展趋势。

5水冷控制柜

水冷控制柜是水冷变频器的核心,由两台循环水泵,高位水箱,板换和离子交换器及阀门组成。高位水箱用于补水。离子交换器用于降低电导率,板换用外水冷却内水。

水冷柜的内水流量,由水泵独立控制。标准为18m3/h=300L/min。可以使冷却后的冷热水的温度差,控制在1℃-2℃以内。回水的温度低。冷却效果好,可以使水冷散热器的温度非常均衡。

水冷柜内的板换,用于内水和外水之间的换热,由于片数多,换热面积大,换热效率高,内、外水的温度差很小,因此对外水的流量要求不高,水温要求也不高。设计的外水温度可以达到35℃。

离子交换器用于降低内水的电导率,提高绝缘性能。由于变频器内部供水母管到单元的支管很长,可以使绝缘电阻大幅度增加,增加了电气安全性。因此即使电导率略高,对变频器的安全没有影响。

以下为水冷柜的运行画面。春季冷却塔风机未开时,外水温度约27℃,内水的冷水温度28.4℃,回水的热水温度仅29.2℃,冷热水的温差仅0.8℃。即使外水温度达到空水冷允许的33℃,内水回水温度可能增加6℃,达到35℃,仍然小于热水的报警温度41℃。因此运行是安全的。冷却塔风机一旦开启,外水温度大幅度下降,将有更大的富裕量。

图6水冷柜运行画面

6 东芝三菱的高压变频器的拓扑结构。

采用单元串联多脉冲整流电压源变频器。电机功率9735kW。采用每相9单元串联的结构,实现54脉冲整流,37电平逆变。输出电压的波形好,对电机友好。以下为变频器的输出电压波形,输出电压近似正弦波,输出电流为纯正弦波。

变频器的拓扑结构和输出电压和输出波形如图7和图8所示。

图7变频器拓扑图

图8变频器输出电压波形

东芝三菱的大功率变频器,在国内业绩非常多。在高炉风机的软启动,以及烧结主抽风机中的业绩非常多,性能可靠。

东芝三菱的高压变频器,采用日本指月公司生产,原装进口的自愈式金属化薄膜电容。电容终身不会发生短路故障,变频器20年的设计寿命内,电容不会损坏,也不需要更换,不但降低了单元的故障概率,用户售后维护中无需更换电容的费用,大大降低了售后维护的成本。

7 改造方案与原系统的逻辑闭锁关系

原来的二拖四变频软启动系统保留,新系统和原系统必须切换方便。两个系统各自独立,互不影响。还要保证切换时的安全。因此针对变频器1启动电机M1的改造方案原理如图9所示。实际整个系统为两台软启动变频器和四台电机。

图9新变频器带M1变频运行及原变频软启动系统切换的原理图

原变频软启动的工作原理。采用2台LCI变频器控制4台电机的变频软启动。保留原变频软起动系统,本次改造的变频器仅用于变频运行。以原变频器1启动M1为例,合原软起动变频器1的进出隔离开关,再合进线开关MBC01,原变频器1通高压电。再合接M1的输出开关MBM1,励磁切换柜接原励磁柜。原变频器1带M1启动,当输出电压和电网同步时,合主抽风机1的运行开关MBL1。分断变频器1的输出开关MBM1,则M1接电网工频运行。断MBC01则原变频器1退出。

新增加运行用变频器1,以及变频器的进线高压开关MBLX1,变频器输出隔离开关QS1。新增励磁柜和励磁切换柜。新变频器1运行时,先确认原工频运行柜MBL1分断。原变频器输出柜MBM1分断。然后隔离开关QS1才允许闭合(有闭锁)。该隔离开关闭合后,MBL1及MBM1禁合(有闭锁)。

考虑到原工频运行柜有接地开关,变频器运行时必须分断且禁合。防止变频器输出对地短路。因此接地开关和变频器之间也需要有逻辑闭锁。该接地开关没有足够的辅助接点,无法进行电气和逻辑闭锁。因此该接地开关如果误合,则变频器输出对地短路,风险极大。因此和用户协商,最终拆除了MBL1的接地开关。

新变频器1运行时,原系统的MBL1和MBM1分断。变频器输出的隔离柜QS1才能闭合,而且可以禁止另两台开关柜的闭合。才能保证变频器的安全。励磁切换柜接新励磁柜。因此新变频器1可以带电机M1变频运行。

8解决了整个系统的几个关键问题

8.1冷却系统的配置

(1)变频器的功率大,数量多,发热量大,排风量大。只有水冷变频器,加变压器的空水冷的方案可以解决冷却问题。但还是需要大量的冷却循环水。需要单独增加外水冷却用的冷却塔。因此用水量和水温的要求成为外水冷却系统设计的关键。

(2)采用水冷变频器时,加上变压器的空水冷,4台变频器的用水总量为288m3/h。水冷柜要求水温<35℃,41℃报警,43℃保护。空水冷要求的水温<33℃。

(3)因此采用水冷变频器。为每台变频器配水冷柜,每台变频器的变压器采用2台空水冷。每个机组采用一套吊顶风道。4台变频器在同一个房间内,总功率38940kW,共采用4台水冷柜,8台空水冷,两套吊顶风道,变频器室内还配了4台空调,用于夏季除湿。

(4)每2台变频器配一个吊顶风道和用于变压器的4台空水冷。采用吊顶风道的好处是,如果任何一台空水冷的增压风机故障,只要其他空水冷的风机还在运行,所有变压器的发热量会均匀地分布到所有空水冷装置上,冷却效果还可以保证。同时变压器的比热容极大,温升极慢。因此可以由其他的空水冷共同进行冷却。变压器的排风量不受影响,因此单台空水冷的风机故障,变频器可以不停机继续运行。对设备的安全有利,提高了系统运行的可靠性。

图10水冷柜和与单元柜的内部纯水管路。

以下为空水冷的吊顶风道和室内温度。变压器温度仅比室内温度高12℃左右,说明变压器通风冷却的效果很好。

(5)须解决冷却循环水的再冷却问题,解决的方案为现场增加外水冷却系统,建立冷却塔和蓄水池。用于外水的二次冷却。但外水的制冷量,流量和变频器的冷却方式关系密切。采用水冷变频器,则外水的流量减小,水温要求不高,而且循环水泵的功率,管径,凉水塔的设计要求都降低了。成本也可以降低。

8.2电机的励磁控制方式

电机采用交流无刷励磁,原电机励磁柜与原LCI变频器配套,并保留原励磁柜和原变频器之间的控制信号接口。因此新变频器配新励磁柜,建立新的励磁控制接口。在给电机的励磁输出侧,增加新旧励磁柜转换用的励磁切换柜。每个机组用一台励磁切换柜控制两台电机的励磁切换。励磁切换有闭锁。

采用变频器后,启动时变频器提供励磁电流的脉冲阶跃指令,变频器根据电机反电势的相位,确定电机的磁极位置,并从该磁极位置提供相应相位的电流,使电机同步。变频器启动时是按实际磁极位置启动,是先同步后启动。即电机启动时已经同步了,不会有强制励磁产生的电流冲击和机械冲击,对电机和电网都非常有利。因此投励和同步是无扰动的。

8.3增加外水冷却系统,建立凉水塔和蓄水池以及相应的水泵房

外水用于水冷柜和空水冷的冷却。但外水的制冷量,流量和变频器的冷却效果关系密切。采用水冷变频器,则对外水的流量要求降低,水温要求不高,而且循环水泵的功率,管径,凉水塔的都求都不高。可以降低成本。

建立外水的凉水塔,蓄水池和水泵房。蓄水池是建立在地面以上,不在地面挖坑,减少了土建施工的困难。凉水塔建立在房顶。距离地面有一定的高度。外水冷却后的冷水经过水冷柜以及空水冷,热水经过凉水塔进行喷淋冷却,然后流入蓄水池。冷却塔的风机开启与否,可以调节水温。

两个烧结机组配了两套独立的循环水泵系统,每个机组的循环水泵都是一用一备。因此配备了4台循环水泵,降低了每个机组的流量要求,同时两个机组的蓄水池是共用的。

图14凉水塔

图15水泵房

实际运行时,凉水塔的冷热水温差<2℃,温差很小。冷却风机开启后,水温只有14℃左右,比风机开启前降低了很多。冷却效果非常好。水冷柜和室内温度都大幅度降低。

图16凉水塔PLC监控画面

9计算改造后的节能效果

烧结机额定上料量1070t/h。改造前统计两台烧结机上料量都是1000t/h时的工频运行数据。改造后统计两台变频器同样上料量1000t/h的变频运行数据。由于原工频运行数据统计时2号烧结机有漏风,工频运行功率偏大。变频运行时进行了漏风治理,两台烧结机的变频耗电功率极为接近。则2号烧结机的节能效果比漏风治理前更加明显。节电功率和节电率比漏风治理前更高。说明漏风会降低节能效果。治理漏风本身节能效果明显。

节电计算既要计算风机的节电功率和节电率,同时也要考虑变频器自身3%的损耗,以及水冷柜、空水冷和变频器柜顶风机等低压电源的附加损耗。最终计算总的净节电功率和净节电率如附表所示。

附表烧结机及风机的计算

烧结机及风机上料量T/H工频运行功率(kW)变频运行功率(kW)合计节电功率(kW)风机节电率(%)变频器总损耗(kW)水冷柜总损耗(kW)空水冷总损耗(kW)柜顶风机总损耗(kW)总损耗合计(kW)净节电功率(kW)净节电率(%)

1号烧结#1主抽风机10007204671239081222432

1号烧结#2主抽风机76986288

1号烧结合计1490213000190212.83908122243214709.9

2号烧结#3主抽风机10008226660639081222432

2号烧结#4主抽风机82646331

2号烧结合计1649012937355321.539081222432312118.9

应以漏风治理后的节能效果计算年节电收益。因此以一号烧结机的节电功率计算年节电收益。一号烧结机净节电功率1470kW,按年运行时间8000小时计算,电价0.59元/kWh,一号烧结机年节电量1176万,年节电费用694万。则2个机组年节电费用1388万。以上为烧结机满负荷运行的节能计算。不满负荷时,节电效益更佳。

工频运行时,烧结机检修不超过4小时,电机不停,风门关小,电机功率约4000kW。变频运行时,检修时不停机,以最低速度运行,风门全关。仅有低速时的空载损耗,小于500kW。此时节电功率至少3500kW,4小时的节电量14000kWh。按每年检修10次计算,就可以多节电14万kWh。这只是一台变频器的节电量。一个机组多节电28万kWh。

参考文献:

[1]首钢京唐烧结主抽风机项目的系统设计资料[z].

[2]东芝三菱高压变频器及水冷柜与励磁柜[Z].空水冷厂家的技术资料.

[3]现场变频器运行显示画面和采集的数据[Z].

责任编辑:周末

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