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国产超大容量高压变频调速系统在首钢京唐钢铁公司球团厂大功率风机上的应用

1、引言

节约能源是我国的基本国策,中国钢铁协会提出2010行业的节能减排目标:单位产品能耗在2005年基础上降低6%~8%,其中吨钢综合能耗降低到680~700千克标煤/吨,吨钢可比能耗降低到660~670千克标煤/吨;吨钢耗新水降到6.02吨;主要污染物排放指标总量下降10%。协会提倡节能减排主要途径包括提高节能技术、淘汰落后装备等。电动机系统节能被列入国家“十一五期间重点推广的十大节能项目”,变频调速技术也是钢铁行业电机系统节能实现节能减排的重要技术手段,国产高压变频技术与产品的日渐成熟,继中小功率产品市场由国产产品占领主要市场之后,在之前一直由国外产品垄断的大功率产品市场也出现逐渐由国产产品参与竞争,相信随着国家节能市场逐渐成熟,国产产品将持续不断扩展其应用市场。

 

2、首钢京唐钢铁及项目介绍

首钢京唐钢铁联合有限责任公司,是由首钢总公司联合唐山钢铁集团有限责任公司共同发起,双方分别占股份的51%和49%。于2005年10月9日注册成立,首钢京唐钢铁联合有限责任公司钢铁厂项目是国家“十一五”规划纲要的重点工程。

首钢京唐钢铁球团工程,由首钢国际工程公司设计,于2008年3月26日破土动工,年产400万吨球团,设计年产铁898万吨、钢970万吨、钢材913万吨。是目前国内单机生产能力最大,自动化水平最高的球团生产线,其主要生产车间包括熔燃制备系统、配混系统、造球系统、工艺风机系统、焙烧系统、成品系统等。工艺风机系统五台大功率风机为主引风机、回热风机、鼓干冷却风机、鼓干鼓风机、鼓干排风机。为保证工艺风流系统的节能降耗和与控制系统的配合实现系统平稳运行,2009年7月首钢京唐钢铁公司钢铁厂选择与智光电气进行合作,对其球团工程项目的五大风机系统中的:选用智光ZINVERT系列的A10H8000、A10H7500、A9H5000、A9H3250、A9H900的10kV高压变频调速系统。其中主引风机6400kW(8000kVA)、回热风机6000kW(7500kVA)作为超大功率变频,具备自动工频/变频同期无扰切换功能,采用二拖二自动控制技术,保证两台变频之间实现相互备用,从而保证系统与负荷风机的安全启动与稳定运行。

 

3、负载及变频设计方案介绍

3.1变频负载电机参数:

表1:电机参数列表(电机额定电压10kV,其余见下表)

负载类型

电动机

型号

功率

(kW)

额定电流(A)

额定转速

(rpm)

电机

效率

功率

因数

启动电

流倍数

变频容量

(kVA)

主引风机

YPTKS1120-8

6400

435

415-743

95.6%

0.84

6.5

8000

回风机

YPTKS-6P

6000

393

996

96.2%

0.86

6

7500

冷却鼓风机

YPTKS1000-8

4000

274

452-743

95.2%

0.84

6.5

5000

鼓干鼓风机

YPTKS-6P

2600

177

994

95%

0.85

6.5

3250

鼓干排风机

YPTKK560-8

650

48

220-743

93.5%

0.8

6.5

900

 

3.2工程应用变频系统特殊要求及方案介绍

3.2.1变频互为备用实现变频/工频无扰切换控制

控制系统要求6400kW的主引风机和6000kW的回热风机变频调速系统互为备用, 4000kW冷却鼓风机和2600kW鼓干鼓风机的变频调速系统互为启动设备备用,即在互为备用的两台变频器中,当一台故障时另一台的变频系统作为软启动设备启动故障变频器所带的电机,将风机拖动至工频,采用同期技术,实现变频至工频无扰切换。

由于互为备用的变频系统的容量差异,鼓干鼓风机适配变频装置启动冷却鼓风机、回热风机适配变频装置启动主抽风机时,须关小风门降低负载避免变频系统的过载保护从而保证变频装置可拖动风机运行至50Hz运行。与一般风机负载变频调速相比,这对该变频系统与控制系统、变频输出低频启动性能等提出较高的要求。

下面以主引风机、回热风机的采用控制的一次原理图(图1):

国产超大容量高压变频调速系统在首钢京唐钢铁公司球团厂大功率风机上的应用

其中,1#ZINVERT为6400kW主引风机适配高压变频器(ZINVERT-A10H8000/10Y),2#ZINVERT为6000kW回热风机适配高压变频器(ZINVERT-A10H7500/10Y)。QF1、QF2、QF3、QF4为用户高压开关断路器, L1、L2为变频电源与工频电源同时拖动一台电机时的同期限流电抗器,QF5、QF6、QF7、QF8为变频装置配套开关柜。其中QF5、QF6之间互锁,QF7、QF8之间互锁。

3.2.2超大功率变频系统环境制冷的空水冷热交换

高压变频调速统主要功率部件为移相隔离变压器和大功率高频电力电子元件,智光电气Zinvert系统的运行效率约97%、因此约3%的功率基本以发热形式消耗;同时运行环境的温度影响系统运行的稳定性及功率元件的使用寿命,因此为了使变频器能长期稳定和可靠地运行,Zinvert系统对安装环境温度要求为-15℃至+45℃。

本项目中5套风机的变频调速系统的容量合计达24.65MVA,拖动电机功率达19.65MW,采用集中安装,即便运行功率小于安装容量,但系统的发热量还是巨大的,为确保系统的寿命与安全稳定、减小设备维护量,智光电气为本工程配套设计采用密闭内循环、空气-水热交换冷却系统,保证运行环境温度。空气-水热交换冷却系统(主要部件为空-水热交换器)是一种利用高效、环保、节能的冷却系统,将从变频器出来的热风,经过风道连接到内有固定水冷管的散热器中,散热器中通过温度低于33℃的冷水,热风经过散热片后,将热量传递给冷水,变成冷风从散热片吹出,热量被循环冷却水带走,保证了变频器安装场所室内的温度恒定。根据现场设计采用独特的封闭天花顶式风道设计,确保了降低风道风阻与空水热交换系统的冷却效果。

水冷设计方案见下图:

国产超大容量高压变频调速系统在首钢京唐钢铁公司球团厂大功率风机上的应用

 

 

4、工程项目实施及改造效果

本项目7台高压变频(除风机变频外,还包括另外2台负载为辊压机)设备,于2009年10月在智光电气公司制造中心内全部通过满负荷出厂试验,并完成转速追踪、各类控制保护功能、频率调节特性试验以及工频/变频同期自动切换、二拖二自动相互切换等特殊试验;于2009年11月到达现场,在首钢甲方与设计、调试等相关方面支持配合下,智光电气公司的首钢工程项目组完成变频系统及空水冷系统的安装;根据球团厂整体建设进度要求,五大风机系统的变频于2010年7月初完成现场安装,7月底完成系统高压带载及各项功能试验。

2010年8月8日,首钢京唐公司球团工程项目热负荷试车一次成功,进入试生产阶段。由我司提供的五大风机系统变频也投入试运行(运行数据见表2)。水冷散热器投入后,保证了变频器在45HZ运行时,环境温度不超过35度(水冷器运行数据见附表3)。经过一个月的试运行,现已进行正常生产,目前设备运行稳定,各项数据指标正常,确保了首钢工程进度和质量,也取得了非常好的经济和社会效益。

附表2:变频运行数据表

 

负载类型

变频容量

(kVA)

运行频率(Hz)

输入电流

(A)

输出电流

(A)

输入功率因数

运行功率

(kW)

启动电流

(A)

备注

主引风机

8000

43.17

208.4

306.2

0.984

3812

<435

达到额定产能400t/h时,5台风机变频运行频率40~45Hz,空水冷系统的进水温度约27度,变频室内温度约31度。满足运行散热要求。

回热风机

7500

41.15

173.3

244.5

0.987

3601

<393

冷却鼓风机

5000

43.10

166.1

215.5

0.977

2765

<274

鼓干鼓风机

3250

46.74

142.6

165.1

0.971

2361

<177

 

附表3:水冷散热器运行数据表

 

序号

运行频率(Hz)

室外环境温度(℃)

室内环境温度(℃)

进水温度(℃)

进水压力P1

(MPa)

出水

压力P2

(MPa)

流量计Q1

(m3/h)

流量计Q2

(m3/h)

流量计Q3

(m3/h)

流量计Q4

(m3/h)

1

20

20

21

18

0.3

0.2

35

34

66

57

2

37

26

31

24

0.3

0.2

35

34

66

57

3

40

28

31

25

0.3

0.2

34

33

64

56

 

 

5、结语

首钢京唐钢铁公司球团工程的顺利投产,标志着首钢京唐钢铁厂又一重点工程项目建设完成。

从2008年10月7000kVA级超大容量高压变频调速系统一次性通过国家电控配电设备质量监督检验中心的监督试验,到2008年底10000kVA级超大容量高压变频调速系统的成功研制,再到首钢8000kVA、7500kVA级超大容量高压高压变频调速系统的现场成功投入运行,智光电气超大容量高压变频调速系统应用又向前迈进了坚实的一步。智光电气现已取得多台7000kVA、8000kVA、10000kVA、12500kVA超大容量高压变频调速系统的良好业绩,并陆续投入应用。智光电气已在国产超大容量高压变频超大容量制造和应用领域处于领先地位,已成为国产最大容量规模并能够提供成套设备与保证安全稳定技术解决方案的高压变频产品的一个重要的代表厂家。

 

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