匯川技術(shù)HD90高壓變頻器在余熱回收中的應(yīng)用

       本文著重介紹匯川技術(shù)HD90高壓變頻器在河北某鋼鐵焦化廠的余熱回收系統(tǒng)中的改造應(yīng)用。焦化廠是煉鐵過程中的能源轉(zhuǎn)換工廠，在此過程中節(jié)能潛力巨大。每生產(chǎn)1噸焦炭消耗1.33～1.35t洗精煤。而焦?fàn)t煙氣余熱占整個焦?fàn)t能耗的8%，對于年產(chǎn)以百萬噸計量的焦炭企業(yè)來說，稍加措施就能節(jié)省數(shù)額巨大的能量。同時達(dá)到節(jié)能減排、降低成本的目的，得到更多富裕煤氣。

一、背景介紹

      從焦?fàn)t來的廢熱煙氣（溫度為270～300℃），在兩條原管道上設(shè)置煙氣截斷閥，并在閥門前的主管道上設(shè)置兩個出煙口，由管道連接進入余熱回收裝置（新配置的管道上各設(shè)置一個閥門），經(jīng)換熱后溫度降到165℃左右，煙氣經(jīng)引風(fēng)機引入原管道上另開的進風(fēng)口進入煙囪，引風(fēng)機后設(shè)置煙道截斷閥門，引風(fēng)機為調(diào)速風(fēng)機，用以滿足煙道出口壓力，保持焦?fàn)t的正常運行。

圖1  余熱回收系統(tǒng)示意圖

圖2余熱回收系統(tǒng)工藝流程圖

余熱回收裝置是本項目的核心部分。

      其主要由：熱管蒸發(fā)器、熱管省煤器、蒸汽聚集器、支架平臺爬梯和設(shè)備輔助系統(tǒng)等組成。

（1）工作原理

      典型的重力熱管如圖3所示，在密閉的管內(nèi)先抽成真空，在此狀態(tài)下充入適量工質(zhì)，工質(zhì)吸熱后以蒸發(fā)與沸騰的形式轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝趬翰钭饔孟?，在升至熱管放熱段結(jié)成液體，其熱量傳遞給放熱冷流體。冷凝液在重力的作用下，沿?zé)峁軆?nèi)壁返回到受熱段，并再次受熱汽化，如此循環(huán)往復(fù)，連續(xù)不斷的將熱量由一端傳向另一端。由于是相變傳熱，因此熱管內(nèi)熱阻很小，熱管的高導(dǎo)熱能力與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量，所以能以較小的溫差獲得較大的傳熱率，且結(jié)構(gòu)簡單，具有單向?qū)岬奶攸c，特別是由于熱管的特有機理使冷熱流體間的熱交換均在管外進行，這就可以方便地進行強化傳熱。此外，由于熱管內(nèi)部一般抽成真空，工質(zhì)極易沸騰與蒸發(fā)，熱管啟動非常迅速。       熱管這種傳熱元件，可以單根使用，也可以組合使用，根據(jù)用戶現(xiàn)場的條件，配以相應(yīng)的流通結(jié)構(gòu)組合成各種形式換熱，熱管換熱器具有傳熱效率高、阻力損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠和維護費用少等多種優(yōu)點。

圖3熱管工作原理圖

（2）特點

      a）極高的傳熱性能隨管內(nèi)工質(zhì)的不同，傳熱系數(shù)達(dá)107W/m2.℃,是普通碳鋼的數(shù)萬倍。       b）低溫差下高傳輸熱量能力一根直徑12.7mm，長1000mm的紫銅棒，兩端溫差100℃時傳輸30W的熱量；而一根直徑、長度的熱管傳輸100W的熱量，兩端溫差只需幾度。       c）換熱兩流體均走管外，可以翅片化以強化傳熱。       d）單管作業(yè)性。由熱管組成的換熱設(shè)備單根熱管損壞對設(shè)備的換熱影響不大，即使部分熱管損壞也不會影響的其正常運行。       e）熱源分匯。在設(shè)計可以隨意調(diào)整熱管冷卻段和蒸汽段的換熱長度，以控制熱管的壁溫，因此可以使熱管換熱器避開露點。這樣就可避開露點腐蝕、不易積灰。       f）熱管與換熱器單支點焊接，避免由熱脹冷縮造成的應(yīng)力。

二、現(xiàn)場概況

      河北某鋼鐵有限公司是一家中外合資企業(yè)，始建于1992年。公司現(xiàn)發(fā)展集燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋材、科研為一體的綜合型鋼鐵企業(yè)。總資產(chǎn)77.53億元。公司擁有360立方米高爐四座，600立方米高爐一座，800立方米高爐一座，年產(chǎn)鐵350萬噸；35噸頂吹轉(zhuǎn)爐兩座，50噸頂吹轉(zhuǎn)爐兩座，年產(chǎn)鋼350萬噸；已建成120噸具有國際先進水平的轉(zhuǎn)爐兩座，爐前配有脫S拔渣，爐后配LF、RH精煉；已建成1260立方米高爐兩座。于2008年3月底投產(chǎn)，投產(chǎn)后冶煉能力達(dá)600萬噸，煉鋼能力600萬噸，軋材能力580萬噸。其中年產(chǎn)100萬噸中寬帶生產(chǎn)線，可生產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格寬度：300～600mm。厚度：2～8mm。生產(chǎn)品種有普通碳素結(jié)構(gòu)、低合金鋼結(jié)構(gòu)、Q195L鋼等系列產(chǎn)品；年產(chǎn)18萬噸螺旋管和直縫管生產(chǎn)線，可生產(chǎn)Φ219mm-1420mm X 5-16mm雙面埋弧焊管和Φ270 X 10mm高頻焊管；年產(chǎn)60萬噸高速線材生產(chǎn)線，可出品種鋼、硬線、模羅鋼、冷凍鋼等；年產(chǎn)252萬噸熱軋卷板生產(chǎn)線，可出熱卷板、普板和各種品種板；年產(chǎn)150萬噸中厚板生產(chǎn)線一條。       此次改造的是其焦化廠的余熱回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)引風(fēng)機將煙氣吸引到熱管，以此給熱管加熱產(chǎn)生蒸汽。270℃的蒸汽全額運行，每小時可以生產(chǎn)28噸蒸汽。

圖4焦化生產(chǎn)線

三、HD90高壓變頻節(jié)能方案

      此現(xiàn)場工藝中，引風(fēng)機的風(fēng)量需求遠(yuǎn)小于風(fēng)機的額定值；之前一直采用調(diào)節(jié)入口擋板來調(diào)節(jié)風(fēng)量，而根據(jù)空氣動力學(xué)原理，這種方式會使很多能量直接損失在擋板上，且效果也不如意。2012年，此現(xiàn)場決定在引風(fēng)機環(huán)節(jié)采用變頻調(diào)速裝置；在眾多競爭者中，匯川高壓變頻器力壓群雄，中標(biāo)此項目。后來的運行狀況，也證明選用匯川HD90高壓變頻器實為明智之舉。 負(fù)載類型：10kV 1600kW電機拖動的引風(fēng)機 運行狀況：全天24小時運行 風(fēng)量控制：入口擋板調(diào)節(jié)，正常工作時閥門開度為40% ；詳細(xì)參數(shù)如下：

主回路：采用一拖一手動旁路方案，見圖5。

基本原理：

      此方案是手動旁路的典型方案。原理是由3個高壓隔離開關(guān)QS41、QS42和QS43和高壓開關(guān)QF、電動機M組成。要求QS42和QS43之間存在機械互鎖邏輯，不能同時閉合。變頻運行時，QS43斷開，QS41和QS42閉合；工頻運行時，QS41和QS42斷開，QS43閉合。高壓開關(guān)QF、電動機M為現(xiàn)場原有設(shè)備。 節(jié)電率計算：       采用匯川HD90高壓變頻器改造后，入口擋板全部打開，引風(fēng)機的風(fēng)量完全由變頻無級調(diào)速進行控制。匯川HD90變頻運行一年來，共計節(jié)約電量為4289000kWh，節(jié)省的電費大約為210萬元。

四、 匯川HD90高壓變頻器的優(yōu)勢

1）通用矢量控制技術(shù)

      HD90系列高壓變頻器具備通用矢量控制技術(shù)，基于電機d-q軸數(shù)學(xué)方程式解析，對電機定子電流解耦成勵磁分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制，以達(dá)到模擬自然解耦的直流電動機的控制效果。      a. 這種控制方式，調(diào)速精度可以達(dá)到0.01HZ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液耦的調(diào)速精度，減少了負(fù)載的波動，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定；      b.高壓變頻器效率高,無轉(zhuǎn)差損耗，其效率達(dá) 0.97以上，并且不隨調(diào)速的范圍而變化。液力耦合器效率低,其效率與調(diào)速比成正比，負(fù)載的轉(zhuǎn)速越低,其效率越低，液力耦合器屬轉(zhuǎn)差損耗型調(diào)速，是低效調(diào)速設(shè)備，在調(diào)速的過程中,轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式損耗在油中。同時造成液壓油需要定期更換，維護成本高。      c. 起動性能高壓變頻器具有真正意義上的軟起動功能，它可以使起動電流值保持在額定電流以內(nèi)，不會對電網(wǎng)造成沖擊，也不會對所傳動的風(fēng)機、泵類的機械設(shè)備帶來沖擊，是最理想的軟啟動設(shè)備。液力耦合器屬于直接起動類型，電動機的起動電流約為額定電流的 3－5 倍，對電網(wǎng)造成沖擊，特別是在電網(wǎng)容量受限而電機容量較大時，這種直接起動對電網(wǎng)所造成的沖擊有時是不允許的。      d. 功率因數(shù)高壓變頻器可以保證電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)在 0.96以上。液力耦合器調(diào)速則使電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，因為拖動風(fēng)機的電機裕量都較大，輸入電流中無功分量就越大，導(dǎo)致其在低功率因數(shù)下運行。

2）快速疊頻技術(shù) 

     通過矢量算法在輸出電壓矢量上疊加可控的其他頻率分量，使電機產(chǎn)生更大的阻力矩，加快電機的制動。 此項技術(shù)對于要求停機時間短的場合十分有效，一般情況下可以縮短減速時間40%左右。目前國內(nèi)其他廠家還不具備此技術(shù)。

3) 工變頻無擾切換技術(shù)   

工變頻無擾切換技術(shù)是指變頻器輸出線、電動機輸入線、工頻電網(wǎng)三者之間無干擾的平滑切換技術(shù)。此技術(shù)對于大容量驅(qū)動場合的變頻軟啟動或者1臺變頻器控制多臺電動機調(diào)速的場合（例如多臺水泵變頻控制）十分有競爭力。

工變頻無擾切換技術(shù)通過矢量控制算法，快速同步電網(wǎng)。 當(dāng)變頻器輸出電壓的相位、頻率和幅值與電網(wǎng)同步時，通過相應(yīng)的開關(guān)投切，把電機從變頻運行狀態(tài)平滑無沖擊地切換到工頻運行，或者把電機從工頻運行平滑無沖擊地切換到變頻運行。

4) 非對稱旁路技術(shù)   

      HD9X系列高壓變頻器采用單元級聯(lián)方式，當(dāng)其中某個單元出現(xiàn)故障后，如果單元具備旁路功能（可選），通過非對稱旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機運行。目前國內(nèi)的廠家通常采用的是對稱旁路技術(shù)，即當(dāng)某個單元故障后，高壓變頻器將其余兩相的單元分別旁路一個，使三相對稱輸出（減少3個單元工作）。對稱旁路技術(shù)雖然可以不停機運行，但是其輸出電壓幅值減少，此時帶負(fù)載能力大大降低。而HD9x的非對稱技術(shù)可以實現(xiàn)更高的電壓輸出幅值。

5) 雙路控制電源   

     HD9X控制系統(tǒng)采用雙電源供電，控制電源失電后可正常工作；一路由用戶提供，一路由高壓變壓器繞組降到380v。兩路電源切換電路采用儲能電容，保證切換時平滑無擾動。

五、現(xiàn)場圖片

圖6HD90現(xiàn)場整機照片

圖7HD90現(xiàn)場運行照片

圖8此項目余熱回收系統(tǒng)的實圖

六、結(jié)束語

      匯川技術(shù)的HD90高壓變頻器，具備真正的矢量控制、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯著，為冶金行業(yè)的各種高壓設(shè)備提供了更優(yōu)的選擇?，F(xiàn)場應(yīng)用實踐證明，HD90高壓變頻器完全滿足鋼鐵廠焦化引風(fēng)機的應(yīng)用要求！

      蘇州匯川技術(shù)有限公司專注于工業(yè)自動化控制產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，定位服務(wù)于中高端設(shè)備制造商，以擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)自動化控制技術(shù)為基礎(chǔ)，以快速為客戶提供個性化的解決方案為主要經(jīng)營模式，實現(xiàn)企業(yè)價值與客戶價值共同成長。匯川在全國擁有66個辦事處，236家授權(quán)代理商，90家全國聯(lián)保中心。