汇川技术HD90高压变频器在余热回收中的应用

       本文着重介绍汇川技术HD90高压变频器在河北某钢铁焦化厂的余热回收系统中的改造应用。焦化厂是炼铁过程中的能源转换工厂，在此过程中节能潜力巨大。每生产1吨焦炭消耗1.33～1.35t洗精煤。而焦炉烟气余热占整个焦炉能耗的8%，对于年产以百万吨计量的焦炭企业来说，稍加措施就能节省数额巨大的能量。同时达到节能减排、降低成本的目的，得到更多富裕煤气。

一、背景介绍

      从焦炉来的废热烟气（温度为270～300℃），在两条原管道上设置烟气截断阀，并在阀门前的主管道上设置两个出烟口，由管道连接进入余热回收装置（新配置的管道上各设置一个阀门），经换热后温度降到165℃左右，烟气经引风机引入原管道上另开的进风口进入烟囱，引风机后设置烟道截断阀门，引风机为调速风机，用以满足烟道出口压力，保持焦炉的正常运行。

图1  余热回收系统示意图

图2余热回收系统工艺流程图

余热回收装置是本项目的核心部分。

      其主要由：热管蒸发器、热管省煤器、蒸汽聚集器、支架平台爬梯和设备辅助系统等组成。

（1）工作原理

      典型的重力热管如图3所示，在密闭的管内先抽成真空，在此状态下充入适量工质，工质吸热后以蒸发与沸腾的形式转变为蒸汽，在压差作用下，在升至热管放热段结成液体，其热量传递给放热冷流体。冷凝液在重力的作用下，沿热管内壁返回到受热段，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断的将热量由一端传向另一端。由于是相变传热，因此热管内热阻很小，热管的高导热能力与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量，所以能以较小的温差获得较大的传热率，且结构简单，具有单向导热的特点，特别是由于热管的特有机理使冷热流体间的热交换均在管外进行，这就可以方便地进行强化传热。此外，由于热管内部一般抽成真空，工质极易沸腾与蒸发，热管启动非常迅速。       热管这种传热元件，可以单根使用，也可以组合使用，根据用户现场的条件，配以相应的流通结构组合成各种形式换热，热管换热器具有传热效率高、阻力损失小、结构紧凑、工作可靠和维护费用少等多种优点。

图3热管工作原理图

（2）特点

      a）极高的传热性能随管内工质的不同，传热系数达107W/m2.℃,是普通碳钢的数万倍。       b）低温差下高传输热量能力一根直径12.7mm，长1000mm的紫铜棒，两端温差100℃时传输30W的热量；而一根直径、长度的热管传输100W的热量，两端温差只需几度。       c）换热两流体均走管外，可以翅片化以强化传热。       d）单管作业性。由热管组成的换热设备单根热管损坏对设备的换热影响不大，即使部分热管损坏也不会影响的其正常运行。       e）热源分汇。在设计可以随意调整热管冷却段和蒸汽段的换热长度，以控制热管的壁温，因此可以使热管换热器避开露点。这样就可避开露点腐蚀、不易积灰。       f）热管与换热器单支点焊接，避免由热胀冷缩造成的应力。

二、现场概况

      河北某钢铁有限公司是一家中外合资企业，始建于1992年。公司现发展集烧结、炼铁、炼钢、轧材、科研为一体的综合型钢铁企业。总资产77.53亿元。公司拥有360立方米高炉四座，600立方米高炉一座，800立方米高炉一座，年产铁350万吨；35吨顶吹转炉两座，50吨顶吹转炉两座，年产钢350万吨；已建成120吨具有国际先进水平的转炉两座，炉前配有脱S拔渣，炉后配LF、RH精炼；已建成1260立方米高炉两座。于2008年3月底投产，投产后冶炼能力达600万吨，炼钢能力600万吨，轧材能力580万吨。其中年产100万吨中宽带生产线，可生产产品规格宽度：300～600mm。厚度：2～8mm。生产品种有普通碳素结构、低合金钢结构、Q195L钢等系列产品；年产18万吨螺旋管和直缝管生产线，可生产Φ219mm-1420mm X 5-16mm双面埋弧焊管和Φ270 X 10mm高频焊管；年产60万吨高速线材生产线，可出品种钢、硬线、模罗钢、冷冻钢等；年产252万吨热轧卷板生产线，可出热卷板、普板和各种品种板；年产150万吨中厚板生产线一条。       此次改造的是其焦化厂的余热回收系统。该系统引风机将烟气吸引到热管，以此给热管加热产生蒸汽。270℃的蒸汽全额运行，每小时可以生产28吨蒸汽。

图4焦化生产线

三、HD90高压变频节能方案

      此现场工艺中，引风机的风量需求远小于风机的额定值；之前一直采用调节入口挡板来调节风量，而根据空气动力学原理，这种方式会使很多能量直接损失在挡板上，且效果也不如意。2012年，此现场决定在引风机环节采用变频调速装置；在众多竞争者中，汇川高压变频器力压群雄，中标此项目。后来的运行状况，也证明选用汇川HD90高压变频器实为明智之举。 负载类型：10kV 1600kW电机拖动的引风机 运行状况：全天24小时运行 风量控制：入口挡板调节，正常工作时阀门开度为40% ；详细参数如下：

主回路：采用一拖一手动旁路方案，见图5。

基本原理：

      此方案是手动旁路的典型方案。原理是由3个高压隔离开关QS41、QS42和QS43和高压开关QF、电动机M组成。要求QS42和QS43之间存在机械互锁逻辑，不能同时闭合。变频运行时，QS43断开，QS41和QS42闭合；工频运行时，QS41和QS42断开，QS43闭合。高压开关QF、电动机M为现场原有设备。 节电率计算：       采用汇川HD90高压变频器改造后，入口挡板全部打开，引风机的风量完全由变频无级调速进行控制。汇川HD90变频运行一年来，共计节约电量为4289000kWh，节省的电费大约为210万元。

四、 汇川HD90高压变频器的优势

1）通用矢量控制技术

      HD90系列高压变频器具备通用矢量控制技术，基于电机d-q轴数学方程式解析，对电机定子电流解耦成励磁分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，以达到模拟自然解耦的直流电动机的控制效果。      a. 这种控制方式，调速精度可以达到0.01HZ，远远高于液耦的调速精度，减少了负载的波动，保证生产的稳定；      b.高压变频器效率高,无转差损耗，其效率达 0.97以上，并且不随调速的范围而变化。液力耦合器效率低,其效率与调速比成正比，负载的转速越低,其效率越低，液力耦合器属转差损耗型调速，是低效调速设备，在调速的过程中,转差功率以热能的形式损耗在油中。同时造成液压油需要定期更换，维护成本高。      c. 起动性能高压变频器具有真正意义上的软起动功能，它可以使起动电流值保持在额定电流以内，不会对电网造成冲击，也不会对所传动的风机、泵类的机械设备带来冲击，是最理想的软启动设备。液力耦合器属于直接起动类型，电动机的起动电流约为额定电流的 3－5 倍，对电网造成冲击，特别是在电网容量受限而电机容量较大时，这种直接起动对电网所造成的冲击有时是不允许的。      d. 功率因数高压变频器可以保证电网侧的功率因数在 0.96以上。液力耦合器调速则使电网侧功率因数降低，因为拖动风机的电机裕量都较大，输入电流中无功分量就越大，导致其在低功率因数下运行。

2）快速叠频技术 

     通过矢量算法在输出电压矢量上叠加可控的其他频率分量，使电机产生更大的阻力矩，加快电机的制动。 此项技术对于要求停机时间短的场合十分有效，一般情况下可以缩短减速时间40%左右。目前国内其他厂家还不具备此技术。

3) 工变频无扰切换技术   

工变频无扰切换技术是指变频器输出线、电动机输入线、工频电网三者之间无干扰的平滑切换技术。此技术对于大容量驱动场合的变频软启动或者1台变频器控制多台电动机调速的场合（例如多台水泵变频控制）十分有竞争力。

工变频无扰切换技术通过矢量控制算法，快速同步电网。 当变频器输出电压的相位、频率和幅值与电网同步时，通过相应的开关投切，把电机从变频运行状态平滑无冲击地切换到工频运行，或者把电机从工频运行平滑无冲击地切换到变频运行。

4) 非对称旁路技术   

      HD9X系列高压变频器采用单元级联方式，当其中某个单元出现故障后，如果单元具备旁路功能（可选），通过非对称旁路技术可以使系统不停机运行。目前国内的厂家通常采用的是对称旁路技术，即当某个单元故障后，高压变频器将其余两相的单元分别旁路一个，使三相对称输出（减少3个单元工作）。对称旁路技术虽然可以不停机运行，但是其输出电压幅值减少，此时带负载能力大大降低。而HD9x的非对称技术可以实现更高的电压输出幅值。

5) 双路控制电源   

     HD9X控制系统采用双电源供电，控制电源失电后可正常工作；一路由用户提供，一路由高压变压器绕组降到380v。两路电源切换电路采用储能电容，保证切换时平滑无扰动。

五、现场图片

图6HD90现场整机照片

图7HD90现场运行照片

图8此项目余热回收系统的实图

六、结束语

      汇川技术的HD90高压变频器，具备真正的矢量控制、技术先进、稳定可靠，节能效果显著，为冶金行业的各种高压设备提供了更优的选择。现场应用实践证明，HD90高压变频器完全满足钢铁厂焦化引风机的应用要求！

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