多层多区控制系统在除尘风机变频改造项目上的应用

多层多区控制系统在除尘风机变频改造项目上的应用

沈佳

上海实力机电设备成套有限公司 201296

摘要：本文结合了转炉二次除尘风机的运行特性与实际运行工况，介绍了多层多区控制系统在新余钢铁第二炼钢厂转炉二次除尘风机变频改造项目中的应用。通过实现多层多区控制，在原有变频节能的基础上提高了节电率，实现了节能降耗的目的。

Abstract：This paper combines the operating characteristics and actual operating conditions of the secondary dedusting fan of the converter, and also introduces the application of the multi-layer multi-zone control system in the frequency conversion retrofit project of the secondary dust removal fan of the Xinyu Iron and Steel Second Steelmaking Plant. Through the realization of multi-layer multi-zone control, the power saving rate is improved on the basis of the original frequency conversion energy saving, and the purpose of energy saving and consumption reduction is realized.

1 引言

新余钢铁有限公司第二炼钢厂拥有3台120吨转炉（2用1备）与1台精炼炉，转炉和精炼炉正常的冶炼时，随之带来很大的烟气，尤其是转炉在吹氧过程中，会有大量的棕黄色烟气产生。这些烟气的主要成分是CO2以及金属粉尘等混合性物质。因此转炉炼钢过程中产生的烟气必须通过除尘风机配合除尘器进行净化后排放，以防止污染环境。

2 炼钢转炉二次除尘工艺介绍

转炉属于世界级的粗钢生产设备，转炉在生产时由于产量、工况、工序等变化，系统所产生的烟尘量也是变化的。在正常生产过程中，不同阶段均有大量烟气产生，如加废钢、兑铁水、出渣等，吹炼时，转炉炉罩和炉口的部位同样会带有烟气，这些在转炉正常生产中产生的烟气被称为二次烟气，企业为降低二次烟气产生的环境污染，设置了转炉二次除尘系统。

新余钢铁有限公司第二炼钢厂二次除尘系统配备2台10KV/3150KW除尘风机，使用方式为1用1备。转炉二次除尘系统主要负责3台转炉及1台精炼炉二次烟气的除尘，除尘点主要包括每台转炉两侧及炉后3个除尘点，以及精炼炉炉顶和炉侧2个除尘点。

转炉二次除尘风机设备参数如下：

转炉二次除尘风机工艺如下：

3 改造的必要性

3.1 系统运行分析

转炉需要经历众多冶炼过程，大致分为加废钢、兑铁水、吹炼以及返回吹炼位等。单台转炉各阶段产生烟气量如下：

其中：A-C为加废钢兑铁水时间

C-D为吹炼时间

D-E为倒渣时间

E-F为出钢时间

F-G为溅渣护炉时间

G为返回吹炼位等待

由上图可以看出，在转炉正常生产过程中，每道工序对于二次除尘风量要求是不同的，根据现场实际情况发现二次除尘风机主要在加废钢兑铁水阶段起到除尘作用。在未进行节能改造前，除尘风机为工频运行，风机按照额定转速来运行，除尘所需风量主要通过烟道总管挡板风门进行调节。在整个炼钢过程中，原系统电机始终处于满负荷状态下进行，无法进行调节，造成了很大的能量浪费。并且在使用风机的风门挡板进行风量调节时，由于风门的开度与流量之间为非线性曲线关系，往往在自动调节阀门时无法进行精确的调节，从而导致自动控制系统无法进行正常调节工作。

3.2 运行能耗分析

3.2.1 系统设计与选型

二次除尘风机系统在设计时出于生产安全及企业未来产量的增加等综合因素考虑，普遍存在电机、风机参数设计高于设备和工艺的安全需求值，在实际运行中，形成典型的供大于需，提高了实际的运行成本，使得系统出现了不必要的能源浪费。

3.2.2 克服阀组做功

二次除尘风机主要采用调节阀门的方式来调整相应的风量要求，在采用阀门进行调整时，为了克服阀阻，将耗费大量的电能，存在节能改造空间。

3.2.3 负荷变化和跟随

二次除尘风机主要负责处理3台转炉与1台精炼炉在兑铁水、加废钢、出钢、等操作中，其产生的烟气十分严重。转炉在冶炼时，不会存在同时进行加废钢兑铁水等阶段，因此在各个时间段所需的处理风量存在很大的差异；但此时末端除尘点风门处于常开状态，部分无除尘需求的除尘点仍旧有大量风量输入，这就造成了系统风量的输出不能跟随实际负荷需求同步变化，浪费了电能。

因此，公司领导层从保证设备正常运行及降低炼钢成本出发，考虑通过变频控制系统对二次除尘风机进行改造，达到预期目的。

4 系统设计

4.1 多层多区控制技术

通过对现场的实际勘查，计划采用独创的多层多区控制技术实现转炉二次除尘风机的节能控制。本技术主要根据除尘风机的运行特性以及转炉生产工况与生产工艺相结合，制定出一套烟尘量优化计算模型，

利用变频调速装置合理调节该风机的风量，最大程度利用其节约电能的特性。

工艺产生的阎良直接决定了转炉二次除尘风机的烟尘量，因此，需要对烟尘量进行正确的控制。转炉生产周期主要包括转炉加废钢、兑铁水、吹炼、出钢以及溅渣护炉等，在生产过程中由于各道工序产生的烟尘量不同，可根据实际情况调整除尘风机的转速，进一步节约电能。

（1）分层控制技术

该系统分为三级控制，第一级为炉前和炉后阀门的分状态自动开关控制，第二级为各自分区的根据转炉生产状态的不同风量需求进行的支管阀门（需新增）调节，第三级为根据所以分区的风量需求总和进行风机的变频节能调控。

（2）多区控制技术

根据节能控制对象数量较多的情况，采用工艺或物理区域划分等方式进行分区控制，将每个分区进行结合工艺需求的节能控制方式，该系统将1-3#转炉和1#精炼炉分为四个区域，根据各自区域的工艺特点和工艺需求进行独立的节能控制。

4.2 控制思路

总体思路采用直接按照每个管道的不同工艺阶段对用的不同的需求流量进行控制。

第一步：以1#转炉为例，通过手动调节炉前左阀门的开度，找到加废钢、兑铁水、吹炼和出钢四个状态时分别对应的流量需求Q1-Q4（风速V1-V4），进行工作状态核准。流量核算好之后，支路管道阀门开度控制需要和炼钢状态做成联锁控制，根据不同的状态阀门选择开或者关；右阀门、炉后阀门类同，2#、3#及精炼炉类同。示例如下：

第二步：根据除尘管道的区域分布进行汇总，该系统划分为四个部分1#-3#转炉和精炼炉，在各自区域总管处加装区域调节阀，目的是根据区域用风量需求进行阀门调节，转炉在不同的炼钢状态对应该区域的风量末端阀门不进行开度调节，阀门只是开或者关状态，主要通过区域调节阀进行控制。精炼炉区域一样。示例如下：

第三步：建立区域调节阀门控制规律，利用各区域二级控制系统进行风量调节控制。例如此时为加废钢状态，此时炉后阀门关闭，风量需求为0，炉前左右阀门打开，需求风量为5000，左右阀门全开，交由区域阀门通过此刻的5000风量设定进行自动调节。其余四个状态类同，末端阀门开或者关，全部交由区域阀门来调节风量。

第四步：将四个区域再次汇总成总区域，利用一级控制系统进行风量需求的汇总调节两台变频器同频运行，例如各区域分别为5000、60000、30000和0，此时真实需求为36.5万风量，通过36.5万的风量设定调节双变频器升速或降速直至稳定到此状态为止。

4.3 系统控制

依据生产工艺，可以利用转炉的出钢、吹炼、兑铁水等信号来控制二次风机的运行频率。通过各转炉所处炼钢状态，控制各转炉炉前、炉后阀门的开关，通过2台转炉及1台精炼炉相应状态的风量需求，计算出在该时段总的风量需求，通过变频器控制电机的运行频率，在满足系统正常生产状态下的，降低能耗。

信号控制示意图如下：

4.4 控制设备

（1）高压变频器

功率单元柜、控制柜等共同构成了高压变频器，本系统配有手动旁路柜；系统的运行参数和“本地”操作方式等可在触摸屏上实现，高压变频柜体上有选择(远程/本地/机旁)、开关等功能。

（2）节能调控柜

通过采集各转炉运行状态，控制转炉各除尘点阀门的开关，同时计算出相应的负荷需求，采取PID运算，结合模糊控制，智能调控除尘风机的风量、风压，电机的输出功率完全符合系统的负荷需求，达到节能的目的。

5 运行效果

通过变频节能改造后，于2015年11月，转炉二次除尘风机进行了一次性投产，至今运行正常，经客户使用部门与我司共同测试，节电率远超预期效果。同时，该风机的启动电流有了明显的降低，实现了设备的软启动，很大程度上减轻了设备启动时对供配电系统的冲击，保护了配电设备。

5.1 直接效益

根据正常生产状况下改造前后的运行耗电情况进行对比，对比结果如下：

通过节能改造后，节电比率能达到24.7%，在原预计变频改造基础上提升了10%以上，按照年运行时间8000小时计算，每年可以节电约561.44万度，企业极大地压缩了用电成本。

5.2 间接效益

（1）提高风量调节范围与精度

变频调风量与过去风门挡板调节风量进行比较，变频调节精度高，可保持在0.01～0.1Hz范围内进行调节，除尘风机系统能够快速实现自动化控制。

（2）提高功率因素，启动更平稳

变频改造会提高功率因数，超过0.95，减少了线路损耗，同时还能实现电机的软启动，启动电流明显比额定电流值要小得多，那么，启动的平滑性更高。

（3）压缩维护费用，设备的使用寿命得到了提升

除尘风机采用变频技术调速后，可随生产工艺进行变速运行，可在很大程度上降低设备的负荷率，设备的使用寿命得到了提升。

6 结束语

变频器目前已广泛应用于各行各业，并且能给客户带来明显的节能效果，产生巨大的经济效益，同时能够让客户在最短的时间内，将投入的成本加以回收。同时，国家十分关注节能减排工作，变频器的发展前景十分广阔，发展也十分迅速。

同时，在变频调速的基础上，通过对系统运行工艺的分析与分解，增加各种智能化控制手段，对各部分系统及设备进行智能化控制，还能在变频节能的基础上，提升节电率，起到更好的节能效果。

参考文献：

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[3]李立君. 浅谈高压变频器在转炉除尘风机中的应用[J]. 邢台职业技术学院学报,2008,25(3):98-100