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除塵降溫高壓變頻器在高爐除塵風機中的應用風機性能信息工程的設(shè)
英文摘要 ：The paper introduces the application of multi-level high voltage inverter in Tonghua Steel Factory. The running result indicates that the adoption of high voltage inverter to Remove-Dust is successful and the effect of saving energy is distinct.
關(guān)鍵詞： 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司趙樹國郭培彬通化鋼鐵集團有限責任公司 煉鐵廠李洪遠
1 引言
通化鋼鐵集團有限責任公司是吉林省省屬最大的國有工業(yè)企業(yè)和唯一的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)集團。隨著世貿(mào)組織的加入和市場競爭的加劇，為提高產(chǎn)品市場占有率、競爭力，通化鋼鐵集團深化改革，加快一批項目建設(shè)，其中6#高爐為新建項目之一。6#高爐為750m3高爐，它在吸取了以前舊高爐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，又在建設(shè)中采用了大量先進的生產(chǎn)工藝。高爐除塵風機的變頻控制就是先進工藝的典型應用。以前舊高爐除塵風機為一般工頻運行或液力偶合器控制。若電機采用工頻運行，通過調(diào)節(jié)風門的出口擋板調(diào)節(jié)風量來滿足生產(chǎn)工藝要求，大量電能白白浪費在閥門上;若采用液力偶合器調(diào)速，則存在以下缺點:
(1) 調(diào)速范圍窄，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定;
(2) 電機的效率低，損耗大;
(3) 液力偶合器經(jīng)常出現(xiàn)故障，不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要;
(4) 調(diào)節(jié)精度低，響應慢。
鑒于存在以上諸多問題，因此，通鋼集團煉鐵廠6#高爐除塵風機改用變頻調(diào)速控制。
2 高壓變頻器技術(shù)要求
眾所周知，高爐在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生大量的煙塵，污染環(huán)境，根據(jù)國家法規(guī)，需要除塵處理。除塵風機是除塵工程的關(guān)鍵設(shè)備，一旦除塵風機不能正常工作，不但耽誤生產(chǎn)，影響產(chǎn)量，還有可能對現(xiàn)場值班人員人身安全造成威脅，因此，和除塵風機配套的高壓變頻器，要求具有極高的可靠性。對高壓變頻器的主要要求如下:
(1) 要求可靠性高;
(2) 要求有完善的數(shù)字控制功能;
(3) 技術(shù)指標要求高;
(4) 要求適應惡劣的使用環(huán)境;
(5) 要求標準的數(shù)字通信接口;
(6) 調(diào)速范圍大，效率要高;
(7) 要求滿足高爐生產(chǎn)工藝調(diào)速要求。
經(jīng)過多方考察，比較性價比，決定選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38型高壓變頻器，通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了6#高爐除塵風機的變頻控制方案。
3 現(xiàn)場除塵風機設(shè)備簡介
3.1 電機及風機參數(shù)
(1) 電機參數(shù)
型號 Y560-3-8
額定功率 800kW
額定電壓 10kV
額定頻率 50Hz
額定電流 59.5A
額定功率因數(shù) 0.82
額定轉(zhuǎn)速 745r/min
(2) 風機參數(shù)
型號 Y4-73
額定流量 393797m3/h
額定轉(zhuǎn)速 730r/min
軸功率 800kW
3.2 除塵風機工藝要求
高爐生產(chǎn)為周期性間斷出鐵,高爐在出鐵時,產(chǎn)生大量棕紅色煙塵,此時要求風機變頻高速運行;在不出鐵時,只需要很低的轉(zhuǎn)速。利用變頻器根據(jù)高爐實際需要對除塵風機進行變頻調(diào)速控制,既保證和改善了工藝,又達到了節(jié)能降耗的目的。
通鋼6#高爐一個出鐵工藝高速時間約40min,每天出鐵15爐。出鐵時,變頻器高速運行,高速定為45Hz(可調(diào));不出鐵時,變頻器低速運行,低速定為20Hz(可調(diào))。
4 高壓變頻器工程介紹
通鋼集團有限公司煉鐵廠最終選定山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風光牌JD-BP38-800F功率單元多電平串聯(lián)高壓大功率變頻器,對6#高爐除塵風機進行調(diào)速控制。
4.1 風光牌JD-BP38-800F高壓變頻器主要性能指標
變頻器功率 800kW
額定輸出電流 69A
輸入頻率 50Hz±5Hz
額定輸入電壓 10kV
允許電壓波動 ±20%
輸入功率因數(shù) ≥0.98
輸出頻率范圍0~50Hz
輸出電壓范圍0~10kV
變頻器效率 ≥96%
過載能力 100%連續(xù) 160%連續(xù)1min 220%允許1.5s
4.2 JD-BP38-800F高壓變頻器主要技術(shù)性能
(1) 高—高電壓源型變頻器，直接10kV輸入，直接10kV輸出，無須任何輸出變壓器或濾波器，適配于普通高壓電動機，對電機、電纜絕緣無損害。
(2) 輸入功率因數(shù)高，電流諧波小，無須功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。
(3) 單元電路模塊化設(shè)計，維護簡單，互換性好。
(4) 輸出階梯正弦PWM波形。
(5) 高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強弱電隔離，安全可靠。
(6) 完善的故障檢測，精確的故障保護及準確的定位顯示和報警。
(7) 內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場控制/遠程控制，適應現(xiàn)場多變需求。
(8) 采用載波移相控制技術(shù)，大大抑制了輸出電壓的諧波成分，保證輸出波形是完美正弦波。
(9) 控制電源與高壓電相互獨立，無高壓時可以檢測變頻器輸出，便于現(xiàn)場調(diào)試以及培訓操作人員，便于維護。
(10) 采用準優(yōu)化SPWM調(diào)制技術(shù)，電壓利用率高。
(11) 功率單元經(jīng)24h高溫老化、150％負載試驗，可靠性高。
(12) 中文Windows 操作界面，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控工程界面十分友好和完善，工程包括上位機(商用PC機)、下位機(工控機)、單片機。其中單片機給用戶提供一個4位LED數(shù)碼顯示屏和一個12鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進行全部操作，包括參數(shù)設(shè)置和各種運行指令。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺，其功能更齊全，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運行操作、運行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等等。上位機(商用PC機)放在總控室，可對多臺變頻器進行遙測、遙控。若只有一臺變頻器，上位機可省，或讓客戶自定。
(13) 可接收和輸出多路工業(yè)標準信號。
(14) 可打印輸出運行報表。
4.3 高壓變頻工程介紹
風光牌JD-BP38型高壓變頻工程采用直接“高-高”變換方式，屬電壓源型，采用功率單元多電平串聯(lián)方式，以最新型西門子IGBT為主控器件，全數(shù)字化控制，彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計目標的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器。
(1) JD-BP38型高壓變頻調(diào)速工程
其工程結(jié)構(gòu)如圖1所示。由移相變壓器、功率單元和控制器組成。風光10kV高壓變頻器，變壓器有30組付邊繞組，分為10個功率單元/相，三相共30個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規(guī)定。
(2) 功率單元電路
每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖2示，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為六支二極管實現(xiàn)三相全波整流，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制。每個功率單元完全一樣，可以互換，這不但調(diào)試、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟。假如一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動通過可控硅旁路而整機可以暫時降額工作，直到緩慢停止運行。
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(3) 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，每個功率單元都承受電機
摘要:介紹了設(shè)計開發(fā)的風機性能信息工程，著重論述了產(chǎn)品段性能曲線和整機性能曲線的擬合算法、各種單一氣體物性參數(shù)的平面插值算法等數(shù)學方法，還涉及到開發(fā)環(huán)境的信息集成和數(shù)據(jù)庫的應用等技術(shù)。
關(guān)鍵詞： 通風機 性能曲線 擬合算法 數(shù)據(jù)庫
中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B
文章編號：1006-8155（2005）05-0030-03
Abstract: The designed and developed fan performance information system is introduced. The fitting algorithm of product section and overall unit performance curves, the plane interpolation algorithm and mathematical method of physical property parameter of various single gas are mainly discussed, and also dealt with the technique of information integration on developing environment and data base application etc.
Key words: Fan Performance curve Fitting algorithm Data base
1 引言
在處理風機的氣動性能時，如何根據(jù)相關(guān)的設(shè)計數(shù)據(jù)和工況點記錄數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等來快速、準確地計算出風機的性能數(shù)據(jù)并繪制出性能曲線圖，以便能及時進行產(chǎn)品的科學評價，對贏得用戶信譽十分重要。因此，設(shè)計開發(fā)一套功能齊全、實用的風機產(chǎn)品的性能信息軟件工程，意義重大。
工程不僅能對當前產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)進行錄入、修改和多項模糊條件下的檢索輸出，更主要的是能進行性能計算、性能曲線繪制及輸出圖形和數(shù)據(jù)，而且對一段時間內(nèi)（例如，最近5年生產(chǎn)的幾百臺產(chǎn)品）所積累的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)（包括圖形）進行檢索和輸出。因此，該軟件工程必須是一個集工程設(shè)計與資料管理于一體的軟件工程，一個可維護性較好的工程。軟件工程從功能上可分為幾個部分，由于篇幅所限，這里僅簡述幾個問題。
2 性能數(shù)據(jù)的維護及數(shù)據(jù)點的性能計算
對所需要的風機產(chǎn)品性能試驗的各種數(shù)據(jù)進行人工錄入（或者對于由采集工程自動采集的數(shù)據(jù)也可進行數(shù)據(jù)文件的自動導入）、查詢及修改。其中包括：試驗總表維護、整機設(shè)計參數(shù)維護、段設(shè)計參數(shù)維護、工況點記錄維護、試驗裝置記錄維護、變速箱和軸承的油流量和溫度數(shù)據(jù)維護、混合氣體組分數(shù)據(jù)維護。
根據(jù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)定義，這些數(shù)據(jù)被分配在不同的數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)維護就是錄入、查詢和修改這些數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)。
檢索輸出是根據(jù)要求，工程自動檢索出所要產(chǎn)品的多個相關(guān)數(shù)據(jù)表或性能曲線，自動排版打印輸出。
當一臺風機產(chǎn)品的數(shù)據(jù)錄入完成并送入數(shù)據(jù)庫后，就可進行點性能計算。即分別針對儲存在計算機中的物性參數(shù)模型，用平面插值方法計算出試驗氣體和設(shè)計氣體（如果是單一氣體）的各種物性參數(shù)；如果設(shè)計氣體是多組分氣體（如裂解氣、混合氣），則調(diào)用專門的程序按照氣體的各種組分及其百分比數(shù)據(jù)計算出該氣體的物性參數(shù)；再按照產(chǎn)品所屬氣動性能模型（絕熱過程模型或多變過程模型）計算該工況點試驗氣體和試驗轉(zhuǎn)速條件下的各種性能參數(shù)，再換算成設(shè)計條件和設(shè)計轉(zhuǎn)速下的各種性能參數(shù)值，送入數(shù)據(jù)庫，并將該點的主要性能參數(shù)列于“主要性能參數(shù)表”中顯示。
為了彌補采集的數(shù)據(jù)“質(zhì)量差、數(shù)據(jù)少”的不足，當一個產(chǎn)品段的所有工況點的性能計算完成后，再用“插點”功能進行數(shù)據(jù)點的自動插補，目的是在繪制段曲線圖時增加一些數(shù)據(jù)點來提高段曲線的質(zhì)量（這些插補的數(shù)據(jù)點，僅用于圖形處理）。
3 風機產(chǎn)品段性能曲線的擬合
在進行風機產(chǎn)品性能試驗時，風機的每一工況段均設(shè)幾個測試點（工況點）。試驗過程中，不斷地改變工況，直接由數(shù)據(jù)采集工程（或由人工）記錄下工況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如進口溫度、入口壓力、出口溫度、出口壓力等），連同輸入的設(shè)計數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)等，經(jīng)過計算、處理，得到該風機產(chǎn)品的工況點氣動性能。由于工況點測量數(shù)據(jù)往往帶有儀器儀表誤差、工程誤差等多種誤差，所以說它具有一定的不準確性。因此說，少量的數(shù)據(jù)很難反映出風機產(chǎn)品的固有性能，只有足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)，才能反映出產(chǎn)品本身固有的規(guī)律性。在計算出該段上所有工況點的性能參數(shù)后，就可以對該段繪制性能曲線圖。根據(jù)壓縮機性能的規(guī)律，這些有限個離散點繪成的曲線，既要使之誤差最小，又不能有拐點。段性能曲線還關(guān)系到整機性能疊加的準確性。對解決此問題來說，選擇最小二乘法來擬合一條二次曲線是適宜的。如風機的壓比是隨著容積流量變化的曲線，軸功率是隨著容積流量變化的曲線。至于有些特殊情況，軟件中使用了對某些點的“加權(quán)”處理后，使性能曲線問題得到了較好的解決。
性能曲線圖和相應的評估數(shù)據(jù)顯示出來后，選擇圖形面板上的“文件”菜單的子菜單“另存為”（這時彈出文件目錄選擇框），使用者選擇目錄、文件名按照圖上的名字輸入，然后“保存”圖形。
4 整機性能的疊加計算
在各段的性能曲線圖繪制完成后，就可以進行整機性能疊加計算了。首先將第一段性能曲線圖的容積流量區(qū)間（橫坐標）分成m等份，產(chǎn)生出m+1個節(jié)點Q1i，i=1,2,…，m+1�？煞謩e從第一段的容積流量—壓比曲線、容積流量—軸功率曲線上插值得出ε1i和psh1i,i=1,2,…，m+1。由ε1i可計算出第1段的出口壓力、第2段的進口壓力和第1段的實際功率。由第2段的進口壓力，又可以計算出第2段的進口容積流量。由第2段的進口容積流量在第2段的性能曲線上，可插值得出：
ε2i和psh2i,i=1,2,…，m+1。由此，又可計算出第2段的出口壓力、第3段的進口壓力和第2段的實際軸功率。由第3段進口壓力，又可計算出第3段的容積流量。就可在第3段的性能曲線上，插值得出ε3i和psh3i,i=1,2,…，m+1�！钡皆搲嚎s機的最后一段。
在遇到計算出的某段的某個進口容積流量值不在該段的性能曲線的容積流量（橫坐標）區(qū)間時，該點就被舍棄，而進行下一個流量點的疊加計算。那么最后保留下來的容積流量—最后計算壓比和容積流量—最后一段的實際軸功率的點，就是整機性能疊加計算的結(jié)果。
5 整機性能曲線的擬合
由于整機性能疊加計算結(jié)果數(shù)據(jù)具有較強的規(guī)律性，因此，使用這些數(shù)據(jù)點進行風機產(chǎn)品整機性能曲線的擬合，選用參數(shù)樣條方法。關(guān)于如何使用參數(shù)樣條方法來擬合容積流量—壓比曲線和容積流量—軸功率曲線，方法與過程見文獻[1]。
同樣，整機性能曲線圖顯示出來后，選擇圖形面板上的“文件”菜單的子菜單“另存為”，使用者選擇目錄和文件名，然后“保存”圖形。
6 幾種單一氣體物性參數(shù)的平面插值
作為試驗介質(zhì)或者設(shè)計介質(zhì)的空氣、氧氣、氮氣及二氧化碳等,它們的物性參數(shù)（絕熱指數(shù)k、壓縮性系數(shù)z、質(zhì)量定壓熱容Cp、動力粘度μ、等壓偏差系數(shù)x等）是風機產(chǎn)品性能計算過程中的關(guān)鍵參數(shù)。
為了及時準確地獲得試驗介質(zhì)和設(shè)計介質(zhì)的物性參數(shù)，首先把它們的各種物性參數(shù)的“模擬曲線族”存入電腦中，開發(fā)出相應的插值軟件，上述目標就能實現(xiàn)。
如何把每一種氣體的每一種物性參數(shù)對應的方格紙上的曲線族（稱它為“模擬曲線族”），存入電腦中？這首先需要將族中每條曲線進行數(shù)字化，即找出一些關(guān)鍵坐標點，放入電腦中，再用適當?shù)臄?shù)學處理方法（筆者使用的是最小二乘法或參數(shù)樣條算法）擬合出平面上的一條條光滑曲線，也就是求出每一條光滑曲線的系數(shù)放在電腦中。在此基礎(chǔ)上，再進行“平面插值”。具體方法與過程如下。
如何用最小二乘法或參數(shù)樣條算法，進行平面上的插值？
已知X-Y平面上有一族曲線Q1，Q2，Q3，…Qn。它們分別是某個空間曲線族或者某個空間曲面在該平面上的投影Q=v1，Q=v2，Q=v3，…Q=vn。
這里說的“平面上的插值”，是用已知曲線族和給定Q=v和X坐標值，求出對應的Y坐標值。
這里的“平面插值”的一般做法是：（1）先用已知曲線族插出要求的一條新曲線Q=v，即找出Q=v的表達式；（2）再由表達式求出X所對應的Y值。
要找出一條新曲線的表達式，必須先找出已知曲線族的足夠的數(shù)據(jù)點組（一個點組，是由同一個X坐標下的各條已知曲線上的對應點組成的），利用這一組組的數(shù)據(jù)點分別進行插值，求出曲線Q=v上的一個個數(shù)據(jù)點。再用求出的Q=v上的這些數(shù)據(jù)點進行插值，求得曲線Q=v的表達式。
實際上，并不需要插出Q=v的一條曲線，只需要用已知曲線族的橫坐標為X的一個點組就夠了。即用已知X坐標處的點組（v1，Y1），（v2，Y2），…（vn，Yn）插出一條與給定的X坐標對應的v-Y曲線，即求得它的表達式，再將v值代入表達式，得到Y(jié)值。關(guān)于如何得到這條v-Y曲線，請見3和5。
為了獲得較高的精度，盡量采用參數(shù)樣條方法擬合的曲線。如果該族曲線都是直線，也可選用最小二乘法，它也有較高的精度。而且，用最小二乘法擬合的曲線不但可用于內(nèi)插，而且還可用于外插。而用參數(shù)樣條擬合的曲線只能用于內(nèi)插，不能用于外插。因此，工程中氣體的物性參數(shù)插值軟件中，就有兩套程序。在使用過程中，凡能用參數(shù)樣條擬合曲線的，盡量使用參數(shù)樣條擬合的曲線。如果遇到曲線參數(shù)v或者x坐標值超界時，工程自動調(diào)用最小二乘法的插值程序，求得一個近似值。
這樣，既保證了插值的高精度，又避免了當參數(shù)越界時因求不出氣體的某些物性參數(shù)值而無法繼續(xù)工作的問題。
7 工程管理子工程
在這里，工程管理子工程，包括用戶組授權(quán)、用戶管理、數(shù)據(jù)庫清理、數(shù)據(jù)庫的合并、在線幫助信息等。設(shè)置該子工程的目的是提高工程的可維護性等。
8 結(jié)束語
該軟件工程是一個集風機熱動力試驗模型與方法、計算技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫應用技術(shù)等現(xiàn)代科學技術(shù)于一體，以及一個集工程處理與數(shù)據(jù)管理于一體的軟件工程，又是一個完全WINDOWS軟件工程。
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