一．項目概述

首鋼京唐有兩臺燒結機，每臺燒結機2臺主抽風機。采用9735kW的同步電機，運行時用風門調節風量。4臺電機用2臺LCI變頻器進行二拖四的軟啟動，工頻運行不節能。主抽風機的年運行時間長，年耗電量極大。

首鋼京唐擬對燒結主抽風機進行變頻調速節能改造。原變頻軟啟動系統保留，須解決新變頻器與原變頻器之間的切換和邏輯閉鎖關系。同時要解決變頻器的冷卻。擬采用水冷變頻器和空水冷，同時還要配外水冷卻塔。原勵磁柜和原變頻器保留。增加新變頻器用的新勵磁柜，以及新舊勵磁柜的切換柜。還配備了PLC控制系統。

二．整體改造方案：

系統配置：

保留原二拖四LCI變頻軟啟動系統。新增4臺水冷變頻器，配套輸出隔離開關，變頻器進線高壓開關。提供新變頻器用的勵磁柜及勵磁切換柜。變頻器的水冷柜。提供變壓器配套的空水冷和吊頂風道。還配套外水冷卻系統，和PLC控制系統。因此整個系統除了變頻器以外還有很多其他設備。

電動機參數

額定電壓：10kV

額定電流：638A

額定轉速：1000rpm

功率因數：0.9（超前）

勵磁方式：交流無刷勵磁

風機額定參數

額定風壓：19KPa

額定風量：25000m3/min

三．燒結主抽風機的電能消耗，及變頻節能的原理

燒結是為高爐生產顆粒性原料礦的。主抽風機負壓運行，平常通過風門開度調節風壓。主抽風機風壓高，風量大，功率極大，是燒結廠功率最大的設備。

主抽風機的額定風壓為19 kPa。風門關少時，風門上有風壓降。需要的負壓減少，風門后的實際風壓高于額定風壓，約19.5kPa左右。工藝要求的負壓在16-17kPa，平均16.5kPa左右，風門上的風壓降約3kPa左右。這些風壓降在風門上產生截流損耗。節能節的就是風門上的風壓降。

可以用變頻器通過調節電機的轉速來降低風壓，滿足燒結的負壓要求，風門全開，沒有截流損耗，就可以達到節能的目的。節約的風門上的風壓降，與風機在該風量下的最高風壓之比，就是節電率。

實際凈節電率會受變頻器的損耗及冷卻系統損耗的影響而略低。另外節電率還和風機系統是否有漏風有關。如有漏風，功率增大，風壓降低，風壓富裕量減少，則節電率降低。因此變頻運行應治理漏風。燒結主抽風機的變頻改造，滿載凈節電率在10%-15%左右。節電率雖然不高，但由于耗電功率大，年運行時間長，節電功率不少。而且鋼鐵行業的電價較高，則實際節電的效益還是非常可觀的。

四．水冷或者空冷變頻器的選擇

4.1 水冷變頻器特點的如下：

1）水冷變頻器采用水冷散熱器，用絕緣的純水冷卻功率單元。散熱器內部有通內水的水槽。散熱器輸入和輸出的插頭和插座自密封，分離后不會漏水。由于水的比熱容和比重都非常大，較小的流量可以帶走大量的熱量。水和散熱器之間的換熱效率高，進出水的溫差小，冷卻效果好。冷、熱水的溫差<2℃。正常負荷下溫差約1℃左右。可以使整個散熱器的溫度均勻，溫差極小。

2）水溫設計為35℃，41℃報警。內水通過板換和外水進行水-水熱交換，換熱效率高，內外水的溫差小。因此對外水的溫度要求，高于空水冷要求的33℃。可以和變壓器的空水冷共用相同的外水。實際外水溫度較低時，需要的流量可以減少。因此水冷變頻器需要的外水流量，小于空冷變頻器用空水冷的流量。

3） 水冷散熱器冷熱水在同一側進出，溫差小，整個散熱器溫度非常均衡。可以使所有功率元件和散熱器接觸面的溫度均衡。水溫和散熱器之間的溫差小，散熱器的溫度低，則功率元件的冷卻效果非常好。因為功率元件的溫度升高時，壽命縮短很快。因此降低散熱器和功率元件的溫度，可以大大延長元件使用壽命。這是水冷變頻器的優點。

 4）以下為水冷單元及水冷柜，以及單元柜的冷卻水總管和各個單元之間的支管。支管長度很長，絕緣電阻與支管的長度成正比，即使冷卻水的電導率升高，絕緣性能仍可以保證。

5）每臺變頻器配一臺水冷柜，制冷量相當于兩臺大功率空水冷的制冷量。體積卻很小，耗水量遠小于空水冷的耗水量。

6）單元內部有電容放電電阻的損耗。單元柜有2臺1.5KW的冷卻風機，通風排向空水冷的吊頂風道，不進入室內，對室內溫度無影響。

7）水冷柜水泵功率5.5KW，運行功率4KW。2臺風機和水泵的合計運行功率僅6KW，遠小于空冷變頻器加空水冷的風機運行功率。

8） 水冷變頻器冷卻效果好，需要的外水流量比空冷變頻器用空水冷的流量小，風機功率小，冷卻系統耗電少。可以降低對外水的流量和溫度的要求。還可以使散熱器的溫度均衡，降低功率元件的溫度，延長元件壽命。這都是水冷變頻器的優點。

4.2 空冷變頻器的特點：

1） 空冷變頻器采用空冷散熱器。冷卻風通過散熱器的翅片散熱。由于空氣的比熱容和比重都非常小，因此需要的風量極大。翅片與空氣之間的換熱效率低。翅片溫度比風溫高得多。功率元件接觸面的溫度，比翅片的溫度高，比風溫則更高。另外冷風從散熱器的入口到出口，溫度逐漸升高，離開散熱器的出風口風溫，比進風口高很多。功率元件接觸面的溫度比出風溫度更高。這就使散熱器的溫度極不均衡，功率元件接觸面的溫度很高。出風口位置的功率元件的溫度更高，則空冷變頻器的功率元件的溫度比水冷變頻器要高不少。會縮短元件的壽命。

2）空冷變頻器單元柜需要6臺1.5KW的風機，通風量大。需要配兩臺大功率的空水冷，并用兩套風道與空水冷連接。風道的風阻大，每臺空水冷的增壓風機功率5.5KW，風機總功率20KW，實際消耗約15KW。比水冷變頻器多耗電9KW。而且兩臺空水冷的體積很大，風道的體積很大，用水量也極大。

4.3變頻器不論是水冷還是空冷，變壓器都用空水冷。

變壓器的排風通過吊頂風道排向空水冷，冷卻后排回室內。冬季室外溫度即使達到零下10℃，冷卻塔風機不開，水溫不低，回風溫度不低，室內溫度在20℃上下。內水溫度接近外水溫度，水冷柜的管道不會被凍壞。可以保證水冷變頻器內部水管的安全，內水無須加防凍液。

4.4 水冷或空冷變頻對水量和水溫要求的對比。

1）水冷變頻器，板換換熱效率高，內、外水的溫差小。內水供水和回水允許的溫度高，允許有較大的溫差。因此提高冷熱水的溫差，可以降低外水的流量。實際水冷柜的外水的流量，標準為18 M3/H，實際即使降低到12 M3/H，冷卻效果也沒有問題。則對外水流量的要求大大減少。可以降低外水循環泵的功率損耗。

2）空冷變頻器采用空水冷時，由于換熱效率低，冷卻后的出風溫度比水溫高不少，造成室內溫度偏高。夏季水溫33℃時，則室內溫度38-40℃，對變頻器的安全運行極為不利。因此為了降低溫度，空水冷對水流量的要求非常大。單元柜的空水冷需要的水量為54 M3/H。是水冷變頻器要求水量的3倍。

3）變壓器都是空水冷。每臺變頻器的變壓器用的空水冷，要求的水量為54 M3/H。再加上水冷柜的水量18 M3/H，合計水量為72 M3/H。4臺變頻器合計水量要求為288 M3/H。如果用空冷變頻器加空水冷，則每臺變頻器需要的水量為108 M3/H，4臺變頻器合計水量為432 M3/H。比水冷變頻器多144 M3/H，多50%。

4）水冷變頻器需要的管徑DN50，空水冷的管徑為DN80。水冷變頻器管道的管徑和閥門小，施工成本低。

    由于4臺變頻器在同一個房間內，水冷變頻器的冷卻效果比空冷變頻器要好，因此用戶決定用水冷變頻器。這是今后大功率變頻器的發展趨勢。

五. 水冷控制柜

    水冷控制柜是水冷變頻器的核心，由兩臺循環水泵，高位水箱，板換和離子交換器及閥門組成。高位水箱用于補水。離子交換器用于降低電導率，板換用外水冷卻內水。

    水冷柜的內水流量，由水泵獨立控制。標準為18M3/H=300L/min。可以使冷卻后的冷熱水的溫度差，控制在1℃-2℃以內。回水的溫度低。冷卻效果好，可以使水冷散熱器的溫度非常均衡。

    水冷柜內的板換，用于內水和外水之間的換熱，由于片數多，換熱面積大，換熱效率高，內、外水的溫度差很小，因此對外水的流量要求不高，水溫要求也不高。設計的外水溫度可以達到35℃。

    離子交換器用于降低內水的電導率，提高絕緣性能。由于變頻器內部供水母管到單元的支管很長，可以使絕緣電阻大幅度增加，增加了電氣安全性。因此即使電導率略高，對變頻器的安全沒有影響。

    以下為水冷柜的運行畫面。春季冷卻塔風機未開時，外水溫度約27℃，內水的冷水溫度28.4℃，回水的熱水溫度僅29.2℃，冷熱水的溫差僅0.8℃。即使外水溫度達到空水冷允許的33℃，內水回水溫度可能增加6℃，達到35℃，仍然小于熱水的報警溫度41℃。因此運行是安全的。冷卻塔風機一旦開啟，外水溫度大幅度下降，將有更大的富裕量。

六．東芝三菱的高壓變頻器的拓撲結構。

采用單元串聯多脈沖整流電壓源變頻器。電機功率9735KW。采用每相9單元串聯的結構，實現54脈沖整流，37電平逆變。輸出電壓的波形好，對電機友好。以下為變頻器的輸出電壓波形，輸出電壓近似正弦波，輸出電流為純正弦波。

變頻器的拓撲結構和輸出電壓和輸出波形如下：

東芝三菱的大功率變頻器，在國內業績非常多。在高爐風機的軟啟動，以及燒結主抽風機中的業績非常多，性能可靠。

東芝三菱的高壓變頻器，采用日本指月公司生產，原裝進口的自愈式金屬化薄膜電容。電容終身不會發生短路故障，變頻器20年的設計壽命內，電容不會損壞，也不需要更換，不但降低了單元的故障概率，用戶售后維護中無需更換電容的費用，大大降低了售后維護的成本。

七．改造方案與原系統的邏輯閉鎖關系：

原來的二拖四變頻軟啟動系統保留，新系統和原系統必須切換方便。兩個系統各自獨立，互不影響。還要保證切換時的安全。因此針對變頻器1啟動電機M1的改造方案原理如下圖。實際整個系統為兩臺軟啟動變頻器和四臺電機。

原變頻軟啟動的工作原理。采用2臺LCI變頻器控制4臺電機的變頻軟啟動。保留原變頻軟起動系統，本次改造的變頻器僅用于變頻運行。以原變頻器1啟動M1為例，合原軟起動變頻器1的進出隔離開關，再合進線開關MBC01，原變頻器1通高壓電。再合接M1的輸出開關MBM1，勵磁切換柜接原勵磁柜。原變頻器1帶M1啟動，當輸出電壓和電網同步時，合主抽風機1的運行開關MBL1。分斷變頻器1的輸出開關MBM1，則M1接電網工頻運行。斷MBC01則原變頻器1退出。

新增加運行用變頻器1，以及變頻器的進線高壓開關MBLX1，變頻器輸出隔離開關QS1。新增勵磁柜和勵磁切換柜。新變頻器1運行時，先確認原工頻運行柜MBL1分斷。原變頻器輸出柜MBM1分斷。然后隔離開關QS1才允許閉合（有閉鎖）。該隔離開關閉合后， MBL1及MBM1禁合（有閉鎖）。

考慮到原工頻運行柜有接地開關，變頻器運行時必須分斷且禁合。防止變頻器輸出對地短路。因此接地開關和變頻器之間也需要有邏輯閉鎖。該接地開關沒有足夠的輔助接點，無法進行電氣和邏輯閉鎖。因此該接地開關如果誤合，則變頻器輸出對地短路，風險極大。因此和用戶協商，最終拆除了MBL1的接地開關。

新變頻器1運行時，原系統的MBL1和MBM1分斷。變頻器輸出的隔離柜QS1才能閉合，而且可以禁止另兩臺開關柜的閉合。才能保證變頻器的安全。勵磁切換柜接新勵磁柜。因此新變頻器1可以帶電機M1變頻運行。

八． 解決了整個系統的幾個關鍵問題

8.1 冷卻系統的配置

1）變頻器的功率大，數量多，發熱量大，排風量大。只有水冷變頻器，加變壓器的空水冷的方案可以解決冷卻問題。但還是需要大量的冷卻循環水。需要單獨增加外水冷卻用的冷卻塔。因此用水量和水溫的要求成為外水冷卻系統設計的關鍵。

3）采用水冷變頻器時，加上變壓器的空水冷，4臺變頻器的用水總量為288 m3/H。水冷柜要求水溫<35℃，41℃報警，43℃保護。空水冷要求的水溫<33℃。

4）因此采用水冷變頻器。為每臺變頻器配水冷柜，每臺變頻器的變壓器采用2臺空水冷。每個機組采用一套吊頂風道。4臺變頻器在同一個房間內，總功率38940KW，共采用4臺水冷柜，8臺空水冷，兩套吊頂風道，變頻器室內還配了4臺空調，用于夏季除濕。

5）每2臺變頻器配一個吊頂風道和用于變壓器的4臺空水冷。采用吊頂風道的好處是，如果任何一臺空水冷的增壓風機故障，只要其他空水冷的風機還在運行，所有變壓器的發熱量會均勻地分布到所有空水冷裝置上，冷卻效果還可以保證。同時變壓器的比熱容極大，溫升極慢。因此可以由其他的空水冷共同進行冷卻。變壓器的排風量不受影響，因此單臺空水冷的風機故障，變頻器可以不停機繼續運行。對設備的安全有利，提高了系統運行的可靠性。

以下為空水冷的吊頂風道和室內溫度。變壓器溫度僅比室內溫度高12℃左右，說明變壓器通風冷卻的效果很好。

6）須解決冷卻循環水的再冷卻問題，解決的方案為現場增加外水冷卻系統，建立冷卻塔和蓄水池。用于外水的二次冷卻。但外水的制冷量，流量和變頻器的冷卻方式關系密切。采用水冷變頻器，則外水的流量減小，水溫要求不高，而且循環水泵的功率，管徑，涼水塔的設計要求都降低了。成本也可以降低。

8.2電機的勵磁控制方式

1）電機采用交流無刷勵磁，原電機勵磁柜與原LCI變頻器配套，并保留原勵磁柜和原變頻器之間的控制信號接口。因此新變頻器配新勵磁柜，建立新的勵磁控制接口。在給電機的勵磁輸出側，增加新舊勵磁柜轉換用的勵磁切換柜。每個機組用一臺勵磁切換柜控制兩臺電機的勵磁切換。勵磁切換有閉鎖。

2）采用變頻器后，啟動時變頻器提供勵磁電流的脈沖階躍指令，變頻器根據電機反電勢的相位，確定電機的磁極位置，并從該磁極位置提供相應相位的電流，使電機同步。變頻器啟動時是按實際磁極位置啟動，是先同步后啟動。即電機啟動時已經同步了，不會有強制勵磁產生的電流沖擊和機械沖擊，對電機和電網都非常有利。因此投勵和同步是無擾動的。

8.3增加外水冷卻系統，建立涼水塔和蓄水池以及相應的水泵房。

1) 外水用于水冷柜和空水冷的冷卻。但外水的制冷量，流量和變頻器的冷卻效果關系密切。采用水冷變頻器，則對外水的流量要求降低，水溫要求不高，而且循環水泵的功率，管徑，涼水塔的都求都不高。可以降低成本。

2)建立外水的涼水塔，蓄水池和水泵房。蓄水池是建立在地面以上，不在地面挖坑，減少了土建施工的困難。涼水塔建立在房頂。距離地面有一定的高度。外水冷卻后的冷水經過水冷柜以及空水冷，熱水經過涼水塔進行噴淋冷卻，然后流入蓄水池。冷卻塔的風機開啟與否，可以調節水溫。

3）兩個燒結機組配了兩套獨立的循環水泵系統，每個機組的循環水泵都是一用一備。因此配備了4臺循環水泵，降低了每個機組的流量要求，同時兩個機組的蓄水池是共用的。

4）實際運行時，涼水塔的冷熱水溫差<2℃，溫差很小。冷卻風機開啟后，水溫只有14℃左右，比風機開啟前降低了很多。冷卻效果非常好。水冷柜和室內溫度都大幅度降低。

九．計算改造后的節能效果：

    燒結機額定上料量1070 t/h。改造前統計兩臺燒結機上料量都是1000t/h時的工頻運行數據。改造后統計兩臺變頻器同樣上料量1000t/h的變頻運行數據。由于原工頻運行數據統計時2號燒結機有漏風，工頻運行功率偏大。變頻運行時進行了漏風治理，兩臺燒結機的變頻耗電功率極為接近。則2號燒結機的節能效果比漏風治理前更加明顯。節電功率和節電率比漏風治理前更高。說明漏風會降低節能效果。治理漏風本身節能效果明顯。

    節電計算既要計算風機的節電功率和節電率，同時也要考慮變頻器自身3%的損耗，以及水冷柜，空水冷和變頻器柜頂風機等低壓電源的附加損耗。最終計算總的凈節電功率和凈節電率如下。

9.3 應以漏風治理后的節能效果計算年節電收益。因此以一號燒結機的節電功率計算年節電收益。一號燒結機凈節電功率1470KW，按年運行時間8000小時計算，電價0.59元/kWH，一號燒結機年節電量1176萬，年節電費用694萬。則2個機組年節電費用1388萬。以上為燒結機滿負荷運行的節能計算。不滿負荷時，節電效益更佳。

9.4工頻運行時，燒結機檢修不超過4小時，電機不停，風門關小，電機功率約4000kW。變頻運行時，檢修時不停機，以最低速度運行，風門全關。僅有低速時的空載損耗，小于500kW。此時節電功率至少3500kW，4小時的節電量14000kWH。按每年檢修10次計算，就可以多節電14萬kWH。這只是一臺變頻器的節電量。一個機組多節電28萬kWH。

參考文獻：

【1】首鋼京唐燒結主抽風機項目的系統設計資料。

【2】東芝三菱高壓變頻器，及水冷柜，勵磁柜，空水冷廠家的技術資料。

【3】現場變頻器運行顯示畫面和采集的數據。

作者簡介：

吳自強，東芝三菱電機工業系統（中國）有限公司，高壓變頻器的高級技術支持工程師，從事東芝三菱高壓變頻器技術工作23年。