于洪喜① 史軼芳
(北京首鋼股份有限公司設備部 河北遷安 064400)
摘 要：近年來鋼鐵行業(yè)震蕩發(fā)展，產量、質量、成本的平衡成為企業(yè)的核心競爭力，低成本、高質量運營成為企業(yè)發(fā)展的必然階段，對企業(yè)生產工藝設備的迭代升級及穩(wěn)定運行提出了更高的要求。首鋼股份公司 3#8000m3 髙爐鼓風機變頻控制系統(tǒng)的改造升級項目，著重分析了高爐鼓風機控制特點，對新系統(tǒng)的可靠性、自動化程度、可操作性等都明確了具體要求，確保升級改造后髙爐鼓風機能夠順利啟動。結合生產工藝及軟起動系統(tǒng)特性，設計了大型電動高爐鼓風機變頻軟起動控制系統(tǒng)的迭代升級方案，實踐了同步電動機SFC 變頻軟起動控制系統(tǒng)的迭代升級。
關鍵詞：高爐鼓風機；變頻控制；軟起動
1 前言
高爐鼓風機作為高爐順穩(wěn)生產的關鍵設備，在煉鐵生產過程中承擔著關鍵工藝流程角色，直接關系到煉鐵的穩(wěn)定生產。
公司目前設計四臺高鼓為三座高爐供風，供風量分別為 7000m3、7000m3、8000m3、8000m3，實現(xiàn)三用一熱備，以滿足高爐生產供風需求。高爐鼓風機軟起動原使用西門子 SIMOVEＲTS 變頻靜態(tài)軟起動產品，此套變頻控制器是西門子針對大型風機及軋機等復雜控制系統(tǒng)來設計應用的。它為不同任務類型提供了多種組合模式，包含多種處理器、通訊模塊及各類接口模塊等。其控制中心是一種基于總線結構的多處理通用型 SIMADYN_D 控制單元，控制功能強大，可靠性較高，在我國大型冶金項目選用較多。
近年來，由于 SIMADYN_D 控制器和 SAV21 等設備板卡應用時間的逐年增加，鼓風機變頻系統(tǒng)故障頻發(fā)，各類板卡及系統(tǒng)運行故障鎖定困難，同時又面臨著備件停產停供、國外技術封鎖等嚴重問題，較大程度影響了高爐的順穩(wěn)運行，亟待改造。為此，本文提出了利舊變頻主功率器件及電動機設備，由西門子 SIMOVEＲTS變頻升級為GL150 變頻控制軟起動，并優(yōu)化勵磁系統(tǒng)冗余控制方案，使整個系統(tǒng)運行更為穩(wěn)定可靠，同時對同行業(yè)此類大型軟起動設備新建、改造升級研究具有重要借鑒作用。
2 軟起設計與實踐
2019 年啟動高爐鼓風機變頻軟起控制系統(tǒng)技術升級項目，設計采用西門子新一代 SINAMICS 系列 SFC 變頻軟起動裝置( 電流型變頻器 LCI) 及 6ＲA80 直流調速勵磁系統(tǒng)，利舊現(xiàn)有整流、直流平波電抗及逆變功率柜，設計更新控制柜、脈沖回路及各類信號模塊，優(yōu)化勵磁冗余控制系統(tǒng)。根據(jù)設定轉速曲線，通過實時跟蹤電機轉子位置，調節(jié)實時頻率，調節(jié)輸出電流，在規(guī)定的時間內將 36. 14MW的電動機帶入全速并順利投切并網運行。
相比原控 制 系 統(tǒng)，新控制系統(tǒng)主要區(qū)別在于采用SINAMICS 系列控制器和相關控制部件，控制板集成度高，設計簡潔，其中 CU320 控制核心部件通用于全系列高低壓變頻器，增強了后期維護的便利性。通過高壓軟起動系統(tǒng)的設計并應用，在掌握高爐鼓風機軟起動工作原理和性能的基礎上，可為企業(yè)舊設備升級、備件降本等積累寶貴的技術經驗。
2． 1 運行特性分析
2． 1． 1 高爐鼓風機的工藝特性
在高爐冶煉過程中，高爐鼓風機為高爐系統(tǒng)提供足夠的風壓與充裕的風量，是煉鐵最主要的動力設備之一。爐內鐵礦、燃料及操作條件都會隨著冶煉的過程發(fā)生變化，要求鼓風機供風量滿足一定的調節(jié)范圍，同時滿足供風風熱( 800 ～ 1300℃ ) 、氧含量及風壓等一系列指標要求，以保證爐況的冶煉穩(wěn)定。
2． 1． 2 高爐鼓風機的軟起動特性
高壓變頻軟起動是應用電力電子技術實現(xiàn)電壓和頻率的調節(jié)。通過控制器輸出電壓頻率從小到大，逐步上升到工頻頻率，具有在整個起動過程中很小的啟動電流、可控的啟動轉矩、對電網幾乎沒有附加影響等特性。此方法起動電機優(yōu)勢為: ( 1) 避免破壞性力矩沖擊，可以實現(xiàn)電機的輸出力矩適應大型負載啟動力矩需求，實現(xiàn)系統(tǒng)平滑啟動; ( 2) 避免啟動過程中的瞬時發(fā)熱破壞電機絕緣性能，可大幅降低啟動電流以適應電機承受能力; ( 3) 降低電網電壓暫降及高次諧波含量，可保障電網系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，滿足電網質量相關要求［1］。
2． 2 升級技術難點
為降低 3#高爐鼓風機的系統(tǒng)改造成本，在保留原電機及主功率單元的基礎上進行控制系統(tǒng)升級，其主要設計技術難點如下。
難 點 1: 高爐鼓風機電機利舊原 BBC 公司的 36. 14MW 同步電機，此電機為二十世紀八十年代產品。經過搬遷調整，電機原始設計參數(shù)不齊全，只保存了基礎參量，電機辨識存在難度，需重新對電動機轉子、定子電抗及阻抗參數(shù)進行計算補償。電機參數(shù)見表 1。
難點 2: 此次升級需要利舊現(xiàn)場所有功率元器件及柜體，要重新對脈沖版、電源板、各類信號采集板進行安裝匹配測試，同時要優(yōu)化設計勵磁冗余系統(tǒng)，對現(xiàn)有信號進行重新定義，工作量及難度均較大，并通過西門子 S7 － 300工作站來實現(xiàn)電動機的勵磁和運行調節(jié)控制，以達設備的無故障運行。
2． 3 設計構成
本次軟啟動系統(tǒng)升級設計選用交直交電流型變頻裝置( LCI) 實現(xiàn)軟起動，其主回路主要包含 10kV 變壓器、整流單元、平波電抗、逆變單元、電壓及電流檢測、同步并網及轉子位置檢測編碼器等。在設計改造時，充分利舊現(xiàn)有功率單元( 可控硅) 及直流側電抗器。功率單元部分采用兩個回路設計，兩路進線構成 12 整流脈動，相間夾角為30°，有效降低電網輸入側電流諧波; 兩路出線相間夾角也是 30°，減少對電動機的諧波。系統(tǒng)調速范圍可從電機靜止狀態(tài)到達額定轉速，啟動容量可小于電機額定容量的1 /3 ，可實現(xiàn)連續(xù)啟動作業(yè)，重復精度可控。3#高爐鼓風機變頻軟起系統(tǒng)結構如圖 1。
軟啟系統(tǒng)電網側通過 MBL 高壓斷路器直接連接 SM同步電動機，通過 MBC 高壓隔離斷路器連接軟起動輸入側降壓變壓器，雙回路并聯(lián)形成軟啟動系統(tǒng)，輸出經過升壓變壓器通過 MBM 連接同步電動機。其中 MBC/MBM/MBL 分別控制變頻軟起動及電機并網運行時的合分閘操作，由變頻軟起系統(tǒng)及起動勵磁系統(tǒng)配合完成電機起動。
起動結束后由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，斷路器自動切換為電網直供，勵磁回路切換為冗余勵磁運行控制。
2． 4 控制與計算
軟起動控制系統(tǒng)升級設計選用西門子新一代 SFC 變頻控制系統(tǒng)，硬件選型為通用性更強的 SINAMICS 標準控制單元，分為控制中心、功率模塊、操作組件三部分構成。
各級通訊通過穩(wěn)定性更強的 DＲIVE － CLIQ 網絡進行連接，模塊的拆卸更為便捷，有利于設備維護，其典型硬件拓撲結構如圖 2。
GL150 變頻系統(tǒng)硬件通過高性能的 DＲIVE － CLIQ 串行連接 接 口 進 行 相 互 連 接。此通訊方式使用了 POE( Power Over Ethernet) 技術，主要由 CPU － CU320、供電電源、電壓傳感模塊、數(shù)字量、模擬量擴展模塊及信號檢測板等構成，能在確保現(xiàn)有結構化布線安全的同時保證現(xiàn)有網絡的正常運作，最大限度地降低成本。通過系統(tǒng)電壓及電流模型進行矢量計算，輸出電機高低速控制所需的磁通及電流信號，通過執(zhí)行系統(tǒng)矢量控制調節(jié)，對輸出轉速不斷調整，完成大功率電動機的速度跟隨，其控制功能如圖 3。
變頻器系統(tǒng)啟動時，控制器負責接收給定信號，與系統(tǒng)檢測反饋信號進行疊加計算后輸入速度調節(jié)單元。控制中心通過矢量控制坐標變換［2］，將輸入交流量信號全部轉換為靜止矢量，分別為勵磁分量 ΦM 和轉矩分量 ΦT，其電流分別為 iM 和 iT，它們在直角坐標系下的分量都是直流分量。這樣電磁控制模型等效于直流電機控制模型，通過控制轉矩電流 iT 即可完成系統(tǒng)電磁控制。再通過二相三相電磁變換模型獲得控制輸出的交變電流 iA /iB /iC，通過硬件通訊完成逆變回路觸發(fā)控制。勵磁系統(tǒng)通過6ＲA80 調速裝置，調節(jié)同步電機勵磁單元輸出電流，實現(xiàn)勵磁調節(jié)目的［3］。
在系統(tǒng)速度調節(jié)過程中，電機的順利啟動還要進行多種調節(jié)單元及設定模型的調節(jié)計算，需要完成進線側整流器的控制、負載側逆變器的控制、勵磁的控制，逐步進行低速時直流脈動斷續(xù)換流、高速時負載感應自動換流，達到設定轉速，其主要控制調速功能如表 2。
當變頻器恒電流控制電機達到設定速度的 95 ～ 97%時，系統(tǒng)開始執(zhí)行并網操作，通過系統(tǒng)微調控制配合勵磁系統(tǒng)調節(jié)，對 10kV 電網及電動機瞬時電磁狀態(tài)檢測，判斷相序、電壓、頻率、相位是否一致或接近，其中相序一致是并網絕對條件。當檢測項量完全相同時，同步并網條件成立，系統(tǒng)發(fā)出并網命令，整流器脈沖觸發(fā)角后移，待直流側電流下降至零，瞬時封鎖整流逆變全部脈沖，同時各斷路器執(zhí)行動作，并網完成［4］，并網相序頻率檢測如圖 4。
并網裝置在并網時刻重復測量的狀態(tài)電壓，分別為并網側變頻系統(tǒng)及電網系統(tǒng)的相間電壓。定義網側為系統(tǒng)1 為實際值，各參數(shù)命名為 Ua、Ub、Uc; 同時定義并網側位系統(tǒng) 2 為測量值，各參數(shù)命名為 Ud、Ue、Uf。
偏差計算公式為: Δα = 測量值 － 實際值若 Δα = Ua － Ud 大于 0，表示系統(tǒng) 2 超前系統(tǒng) 1，相反系統(tǒng)2 滯后系統(tǒng) 1，相角最大差 180 度，借助并網裝置同步指示器檢查并調整頻率和相位，并調節(jié)電機的勵磁電流使得電機的輸出電壓相等，以最終確定合閘時刻，實現(xiàn)并網。
2． 5 啟動流程與時序
軟起動控制流程主要包括: 系統(tǒng)初始化、啟動狀態(tài)檢測、系統(tǒng)參數(shù)設置模塊、軟起動控制程序、人機交互、啟動完成等部分，通過邏輯控制與工藝控制的功能設定，以及多次對驅動器進行組態(tài)與測試，其系統(tǒng)流程圖如圖 5。
當勵磁控制系統(tǒng)檢測外部狀態(tài)均滿足啟動條件，由勵磁機控制柜啟動并發(fā)出 GL150 控制系統(tǒng)啟動命令，同時勵磁直流裝置給電機輸出勵磁電流產生旋轉磁場并閉合變頻器出線斷路器。此時勵磁系統(tǒng)與變頻系統(tǒng)同步輸出控制，待電機速度達到并網設定速度時，系統(tǒng)進入并網并檢測成功后發(fā)出并網指令。電網側及電機側高壓斷路器動作同步動作，同時勵磁為變頻系統(tǒng)發(fā)出停車指令，變頻器立即封鎖輸出脈沖，變頻軟起系統(tǒng)退出，變頻去磁系統(tǒng)進入消磁，為下次起動做好準備，電動機起動完成。電機控制方式可通過勵磁控制面板選擇，方案設定為恒功率因數(shù)調節(jié)，啟動時序控制如圖 6。
2． 6 高爐鼓風機軟起動改造應用效果
通過此項目的開發(fā)與實踐，實現(xiàn)了大型同步電動機帶負載從低速到全速且成功并網的軟起實現(xiàn)過程，達到技術控制目標。一是有效降低起動電流，為額定電流的 0. 3 倍～ 0. 5 倍以內; 二是測試啟動時間均小于 180s，滿足電動機平滑啟動要求; 三是并網運行后，電機由勵磁系統(tǒng)采用恒功率因數(shù)進行調節(jié)控制。同時在以下兩個方面實現(xiàn)日常運維能力的大幅提升。
1) 改造前高爐鼓風機均采用西門子 SIMOVEＲTS 變頻器，控制器采用 SIMADYND，由于控制板卡及模塊較多，其運行安全及可靠性逐年下降。改造后 GL150 變頻系統(tǒng)在驅動高爐鼓風機上有著很高的穩(wěn)定性，控制柜內得到了很大程度簡化，其控制系統(tǒng)采用 SINAMICS 系列產品的標準控制部件，相比上一代系統(tǒng)便于維護及故障處理，大幅降低了系統(tǒng)維護強度。
2) 基于 Unix 開發(fā)的 STＲUC － G 應用調試軟件，其界面復雜、操作繁瑣，需要進行專業(yè)訓練才能可靠操作，現(xiàn)場應用性較差。GL150 控制系統(tǒng)采用的是 Scout 編程軟件，其操作及維護界面更加清晰，各參數(shù)板塊調用便捷，交互性更強，同時升級的整個控制項目工程在 Step7 平臺下即可實現(xiàn)集中管理，便于多傳系統(tǒng)之間以及傳動與自動化系統(tǒng)間的統(tǒng)一管控，極大提高了系統(tǒng)調試和維護效率。
3 結論
根據(jù)高爐鼓風機改造需求，設計了一套完整的風機軟起動控制系統(tǒng)，采用 SINAMICS 系列 GL150 變頻器，以新一代 SFC 同步變頻軟起技術為依托，利舊現(xiàn)有主功率器件，控制過程實現(xiàn)斷續(xù)換流到負載換流平滑過渡，起動平穩(wěn)可靠。結合高爐實際冶煉工況特點，分析了高鼓風機的啟動條件、啟動過程、操作并網三大要素，通過對軟起及勵磁系統(tǒng)的軟硬件重新編譯，進一步完善了起動及勵磁冗余控制方式。通過多次起動測試，整個起動過程一般都在180s 內完成，檢測電網側暫態(tài)壓降平穩(wěn)無波動，實現(xiàn)了利舊 BBC 大型同步 36. 14MW 電機的順利啟動。本文通過對高爐大功率風機控制系統(tǒng)升級的研究與實踐，對同類企業(yè)完成低成本設備改造具有較強借鑒和指導意義，希望對后續(xù)設備升級研究有所幫助。
參考文獻
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