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(chǎng)的余熱回收系統(tǒng)中的改造應(yīng)用。焦化廠(chǎng)是煉鐵過(guò)程中的能源轉(zhuǎn)換工廠(chǎng)，在此過(guò)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(gè)焦?fàn)t能耗的8%，對(duì)于年產(chǎn)以百萬(wàn)噸計(jì)量的焦炭企業(yè)來(lái)說(shuō)，稍加措施就能節(jié)省數(shù)額巨大的能量。同時(shí)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(lái)的廢熱煙氣（溫度為270～300℃），在兩條原管道上設(shè)置煙氣截?cái)嚅y，并在閥門(mén)前的主管道上設(shè)置兩個(gè)出煙口，由管道連接進(jìn)入余熱回收裝置（新配置的管道上各設(shè)置一個(gè)閥門(mén)），經(jīng)換熱后溫度降到165℃左右，煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)引入原管道上另開(kāi)的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入煙囪，引風(fēng)機(jī)后設(shè)置煙道截?cái)嚅y門(mén)，引風(fēng)機(jī)為調(diào)速風(fēng)機(jī)，用以滿(mǎn)足煙道出口壓力，保持焦?fàn)t的正常運(yùn)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(xiàng)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(tái)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(gè)數(shù)量級(jí)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(jiǎn)單，具有單向?qū)岬奶攸c(diǎn)，特別是由于熱管的特有機(jī)理使冷熱流體間的熱交換均在管外進(jìn)行，這就可以方便地進(jìn)行強(qiáng)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(dòng)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(hù)現(xiàn)場(chǎng)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(hù)費(fèi)用少等多種優(yōu)點(diǎn)。

圖3熱管工作原理圖

（2）特點(diǎn)

      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(wàn)倍。       b）低溫差下高傳輸熱量能力一根直徑12.7mm，長(zhǎng)1000mm的紫銅棒，兩端溫差100℃時(shí)傳輸30W的熱量；而一根直徑、長(zhǎng)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(qiáng)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(duì)設(shè)備的換熱影響不大，即使部分熱管損壞也不會(huì)影響的其正常運(yùn)行。       e）熱源分匯。在設(shè)計(jì)可以隨意調(diào)整熱管冷卻段和蒸汽段的換熱長(zhǎng)度，以控制熱管的壁溫，因此可以使熱管換熱器避開(kāi)露點(diǎn)。這樣就可避開(kāi)露點(diǎn)腐蝕、不易積灰。       f）熱管與換熱器單支點(diǎn)焊接，避免由熱脹冷縮造成的應(yīng)力。

二、現(xiàn)場(chǎng)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)?？傎Y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(wàn)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(wàn)噸；已建成120噸具有國(guó)際先進(jìn)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(wàn)噸，煉鋼能力600萬(wàn)噸，軋材能力580萬(wàn)噸。其中年產(chǎn)100萬(wàn)噸中寬帶生產(chǎn)線(xiàn)，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(wàn)噸螺旋管和直縫管生產(chǎn)線(xiàn)，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(wàn)噸高速線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)，可出品種鋼、硬線(xiàn)、模羅鋼、冷凍鋼等；年產(chǎn)252萬(wàn)噸熱軋卷板生產(chǎn)線(xiàn)，可出熱卷板、普板和各種品種板；年產(chǎn)150萬(wàn)噸中厚板生產(chǎn)線(xiàn)一條。       此次改造的是其焦化廠(chǎng)的余熱回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)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(yùn)行，每小時(shí)可以生產(chǎn)28噸蒸汽。

圖4焦化生產(chǎn)線(xiàn)

三、HD90高壓變頻節(jié)能方案

      此現(xiàn)場(chǎng)工藝中，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需求遠(yuǎn)小于風(fēng)機(jī)的額定值；之前一直采用調(diào)節(jié)入口擋板來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，而根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，這種方式會(huì)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(chǎng)決定在引風(fēng)機(jī)環(huán)節(jié)采用變頻調(diào)速裝置；在眾多競(jìng)爭(zhēng)者中，匯川高壓變頻器力壓群雄，中標(biāo)此項(xiàng)目。后來(lái)的運(yùn)行狀況，也證明選用匯川HD90高壓變頻器實(shí)為明智之舉。 負(fù)載類(lèi)型：10kV 1600kW電機(jī)拖動(dòng)的引風(fēng)機(jī) 運(yùn)行狀況：全天24小時(shí)運(yùn)行 風(fēng)量控制：入口擋板調(diào)節(jié)，正常工作時(shí)閥門(mén)開(kāi)度為40% ；詳細(xì)參數(shù)如下：

主回路：采用一拖一手動(dòng)旁路方案，見(jiàn)圖5。

基本原理：

      此方案是手動(dòng)旁路的典型方案。原理是由3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS41、QS42和QS43和高壓開(kāi)關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M組成。要求QS42和QS43之間存在機(jī)械互鎖邏輯，不能同時(shí)閉合。變頻運(yùn)行時(shí)，QS43斷開(kāi)，QS41和QS42閉合；工頻運(yùn)行時(shí)，QS41和QS42斷開(kāi)，QS43閉合。高壓開(kāi)關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M為現(xiàn)場(chǎng)原有設(shè)備。 節(jié)電率計(jì)算：       采用匯川HD90高壓變頻器改造后，入口擋板全部打開(kāi)，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量完全由變頻無(wú)級(jí)調(diào)速進(jìn)行控制。匯川HD90變頻運(yùn)行一年來(lái)，共計(jì)節(jié)約電量為4289000kWh，節(jié)省的電費(fèi)大約為210萬(wàn)元。

四、 匯川HD90高壓變頻器的優(yōu)勢(shì)

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(jī)d-q軸數(shù)學(xué)方程式解析，對(duì)電機(jī)定子電流解耦成勵(lì)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(dòng)機(jī)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(dòng)，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定；      b.高壓變頻器效率高,無(wú)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(guò)程中,轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式損耗在油中。同時(shí)造成液壓油需要定期更換，維護(hù)成本高。      c. 起動(dòng)性能高壓變頻器具有真正意義上的軟起動(dòng)功能，它可以使起動(dòng)電流值保持在額定電流以?xún)?nèi)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，也不會(huì)對(duì)所傳動(dòng)的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)的機(jī)械設(shè)備帶來(lái)沖擊，是最理想的軟啟動(dòng)設(shè)備。液力耦合器屬于直接起動(dòng)類(lèi)型，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流約為額定電流的 3－5 倍，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，特別是在電網(wǎng)容量受限而電機(jī)容量較大時(shí)，這種直接起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)所造成的沖擊有時(shí)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?yàn)橥蟿?dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)裕量都較大，輸入電流中無(wú)功分量就越大，導(dǎo)致其在低功率因數(shù)下運(yùn)行。

2）快速疊頻技術(shù) 

     通過(guò)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(jī)產(chǎn)生更大的阻力矩，加快電機(jī)的制動(dòng)。 此項(xiàng)技術(shù)對(duì)于要求停機(jī)時(shí)間短的場(chǎng)合十分有效，一般情況下可以縮短減速時(shí)間40%左右。目前國(guó)內(nèi)其他廠(chǎng)家還不具備此技術(shù)。

3) 工變頻無(wú)擾切換技術(shù)   

工變頻無(wú)擾切換技術(shù)是指變頻器輸出線(xiàn)、電動(dòng)機(jī)輸入線(xiàn)、工頻電網(wǎng)三者之間無(wú)干擾的平滑切換技術(shù)。此技術(shù)對(duì)于大容量驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合的變頻軟啟動(dòng)或者1臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)調(diào)速的場(chǎng)合（例如多臺(tái)水泵變頻控制）十分有競(jìng)爭(zhēng)力。

工變頻無(wú)擾切換技術(shù)通過(guò)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(shí)，通過(guò)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)投切，把電機(jī)從變頻運(yùn)行狀態(tài)平滑無(wú)沖擊地切換到工頻運(yùn)行，或者把電機(jī)從工頻運(yùn)行平滑無(wú)沖擊地切換到變頻運(yùn)行。

4) 非對(duì)稱(chēng)旁路技術(shù)   

      HD9X系列高壓變頻器采用單元級(jí)聯(lián)方式，當(dāng)其中某個(gè)單元出現(xiàn)故障后，如果單元具備旁路功能（可選），通過(guò)非對(duì)稱(chēng)旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機(jī)運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)的廠(chǎng)家通常采用的是對(duì)稱(chēng)旁路技術(shù)，即當(dāng)某個(gè)單元故障后，高壓變頻器將其余兩相的單元分別旁路一個(gè)，使三相對(duì)稱(chēng)輸出（減少3個(gè)單元工作）。對(duì)稱(chēng)旁路技術(shù)雖然可以不停機(jī)運(yùn)行，但是其輸出電壓幅值減少，此時(shí)帶負(fù)載能力大大降低。而HD9x的非對(duì)稱(chēng)技術(shù)可以實(shí)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(hù)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(chǔ)能電容，保證切換時(shí)平滑無(wú)擾動(dòng)。

五、現(xiàn)場(chǎng)圖片

圖6HD90現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)照片

圖7HD90現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行照片

圖8此項(xiàng)目余熱回收系統(tǒng)的實(shí)圖

六、結(jié)束語(yǔ)

      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(jìn)、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(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐證明，HD90高壓變頻器完全滿(mǎn)足鋼鐵廠(chǎng)焦化引風(fēng)機(jī)的應(yīng)用要求！

      蘇州匯川技術(shù)有限公司專(zhuān)注于工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，定位服務(wù)于中高端設(shè)備制造商，以擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)為基礎(chǔ)，以快速為客戶(hù)提供個(gè)性化的解決方案為主要經(jīng)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值與客戶(hù)價(jià)值共同成長(zhǎng)。匯川在全國(guó)擁有66個(gè)辦事處，236家授權(quán)代理商，90家全國(guó)聯(lián)保中心。