关键词：冶金、高炉鼓风机、汇川无扰切换系统控制第三方做无扰切换
摘要：本文介绍了汇川技术HD9X系列高压变频器无扰切换系统控制第三方变频器在1080m3高炉鼓风软启应用，保证启动冲击电流在电机额定电流0.3-0.6倍以内，解决高炉启动对整个电网冲击。
一、高炉工艺简介
高炉因具有炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，世界铁总产量的80%是通过这种方法生产的。高炉为炼铁环节中最主要的设备，横断面为圆形的炼铁竖炉，生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部的风口吹入经预热的空气。焦炭中的碳和鼓入空气中的氧在高温作用下，燃烧生成的一氧化碳和氢气，焦炭在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。铁水从铁口放出，生成的炉渣，从渣口排出。煤气从炉顶排出，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等燃料。
图1：高炉工艺
高炉鼓风机是高炉系统中最重要的动力设备，上图为整个高炉的系统图，从中可以看到高炉鼓风机的位置及作用，它不但直接提供高炉冶炼所需的氧气，而且提供克服高炉料柱阻力所需的气体动力。现代大、中型高炉系统中所用的鼓风机，大多用汽轮机驱动的离心式鼓风机和轴流式鼓风机。这种鼓风机耗电虽多，但启动方便，易于维修，投资较少。高炉冶炼要求鼓风机能供给一定量的空气，以保证燃烧一定的碳；其所需风量的大小不仅与炉容成正比，而且与高炉强化程度有关、一般按单位炉容2.1～2.5m3/min的风量配备。但实际上不少的高炉考虑到生产的发展，配备的风机能力都大于这一比例。
高炉鼓风机处于整个高炉系统的非常重要的位置，其运行可靠性关系着整个高炉生产，甚至会影响安全事故，一般情况下在高炉正常生产过程中如果高炉鼓风机意外停机将导致严重的安全生产事故，经济损失少则几十万，多则上百万。
但高炉鼓风机为整个高炉系统中功率最大的负载，其耗电量巨大，而且目前很多采用水阻柜启动加风门调节的方式启动和调节鼓风机的出口压力，能量浪费严重，变频改造逐渐进入厂家的视野，但对变频调速系统的可靠性提出了很高的要求。
高炉鼓风机是整个系统最大负载，启动前必须将其它大功率负荷进行停机保证电网容量能经受启动冲击电流，但是由于钢厂高炉不断扩容，电网预留每个钢厂总进线负荷是有限的，所以要求高炉鼓风启动冲击电流必须在合理范围。
二、项目概况
河北邯郸某钢铁企业一炼铁厂5#高炉容量是1080m3，采用由陕鼓提供的AV63-14轴流风机对高炉供风，其中电网容量分配到5#高炉母线的电源负荷为1300A ，但是电机额定电流1072A，要求高炉鼓风机启动时候冲击电流必须控制在额定电流范围以内。现场改造以前有一台第三方大功率变频器，考虑成本问题决定使用汇川无扰切换系统和第三方变频器组成1080m3高炉无扰切换系统。
1080m3高炉鼓风机系统配置如下：
2.1电机参数
2.2齿轮参数
2.3风机参数
2.4变频器参数
2.5无扰切换系统
三、系统方案
3.1系统一次图
图2：系统一次图
控制逻辑说明：
1) 首先将用户开关柜QF合闸，将电源送到变频器进线柜QF1和运行柜QF3上端。
2) 在第三方变频器合闸允许后，通过风机控制系统DCS发出变频器柜QF1进行合闸命令，变频器准备就绪。
3) 汇川无扰切换系统检测到变频器输入电压正常再发出变频出线柜QF2合闸指令。
4) 汇川无扰切换系统自检完成后将准备就绪信号上传到风机控制系统DCS，高炉鼓风机启动过程电气部分条件具备。
5) 风机控制系统DCS通过对机组是否准备启动条件进行判断，条件具备后，给出启动变频器命令，汇川无扰切换系统实时锁频锁相，变频器驱动M1达到工频50Hz状态，锁频锁相成功后发出解锁信号将QF2与QF3互锁信号解除。
6) 通过对输入输出电压频率、相位、幅值进行实时检测，在满足切换条件时，依次给出QF3合闸命令，变频停机和QF2分闸命令。电机就从变频器驱动状态平滑切换到工频状态。风机机组在软启过程中只要机组不具备条件，风机控制系统DCS就会发出停机命令保证系统安全。
3.2技术难点
同步切换过程中需要准确检测电网与变频器输出电压的幅值、频率、相位等，任何一个不准确的数值均将导致切换不成功，或者切换过程冲击电流非常大，拉垮电网；该切换过程存在的技术难点体现如下：
1) 变频器输出电压的相序与电网输入侧的相序一致性判断。这种问题导致结果将比较严重：①工艺不允许，比如说像空压机或者转炉的应用现场，绝对不允许电机反转，易造成事故；②工艺允许的情况下，相当于一个正转的电机突然50Hz反转，对电机轴承的伤害比较大；汇川变频器无载测试的过程中，即变频器不连接电机时在触摸屏上进行相位读取，从而判断相位的正确性；
2) 切换时工变频电压相位检测对比。如果在没有判断工变频电压的频率、相位、幅值的情况下，直接切换（硬切换）的话，对电网的冲击电流会很大，甚至达到16倍冲击电流，直接拉垮电网。汇川切换过程中实时检测工变频电压的频率、相位和幅值，三个指标均满足切换要求才进行切换，保证无冲击；
四、HD9X变频改造优势
1) 随着生产规模扩大用电量需求增加，原来电网预留负荷不足以支撑目前的用电量。协调电网进行扩容不仅流程长投资成本也大，所以要求扩建项目大型设备启动必须控制在额定电流范围以内。HD9X变频改造使启动冲击电流在额定电流范围内，一般在0.3~0.6电机额定电流。
2) 对进线母线负荷要求小，启动前不用协调其它大型设备停机从而调整进线负荷来启动高炉鼓风机。
3) 变频器做软启时可以连续多次启动，对电机、机械、电网冲击都很小。而水阻、固态软启启动必须留有时间间隔，直接影响其它大型设备正常运行。
4) 水阻、固态软启启动只有在调整合理情况下才能将启动电流控制在3倍左右，这样就要求上级进线变压器容量要加大，投资成本会提高、电网收费标准也会变高。
5) 同样功率电机如果采用水阻、固态软启是按照电机额定容量来配置的，那么采用变频器做软启只需电机额定容量0.3倍即可，投资成本相差不多。从性能上来讲，变频无扰切换方案比水阻、固态软启更加有优势。
6) 延长电机及负载的使用寿命：变频改造真正实现了电机及负载的软启动，减小了冲击，能够有效延长其使用寿命，之前客户每次启动此电机都非常麻烦，需要停掉所有用电设备，而现在可以随意进行电机的启动，而且现场电机使用轴瓦，也有效的减小了启动时对轴瓦的冲击；
五、现场应用照片
图3：现场负载
图4：电机铭牌
图5：轴流风机型铭牌
六、结束语
冶金行业历来属于高耗能行业，大功率电机数量巨大，常年工频运行导致能源浪费严重，变频改造不仅能够实现显著地节能效果，而且能够改善运行工艺，达到多重改造效果，经济效益及社会效益显著，高炉鼓风机的变频改造不仅能够实现较高的节能效果，还能够实现大功率电机的启动问题，但方案的设计上一定要遵从安全可靠的原则，汇川技术HD9X系列高压变频器无扰切换之所以能够成功的改造此次高炉鼓风机，也是产品高性能、高可靠性的一个证明。
汇川技术有限公司依托多年的自动化行业的应用经验，对冶金行业的变频改造具有独到的方案解决能力，HD9X系列高压变频器为采用矢量控制技术的高性能变频器，产品适用于冶金、电力、化工、市政等多个应用领域。
