羅克韋爾/A*B中壓變頻器在唐鋼中厚板軋鋼除鱗水泵改造中的應(yīng)用與節(jié)能

王 超

（唐鋼中厚板材有限公司，河北 唐山 063610）

1 概述

軋鋼工藝簡述：煉鋼輸送過來的鋼坯被推鋼機(jī)推入軋鋼加熱爐中，加熱爐將鋼坯加熱到一定溫度（800-1000℃），滿足軋制要求后，出鋼機(jī)將鋼坯運(yùn)出至輥道，鋼坯隨輥道轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行至軋機(jī)進(jìn)行軋制。鋼坯在加熱爐內(nèi)被加熱時(shí)，表面在高溫狀態(tài)下被氧化，形成一層致密的氧化鐵皮（鱗皮）。為保證成品鋼材質(zhì)量，需要在軋機(jī)軋制前將鋼坯表面鱗皮狀雜質(zhì)處理干凈。

高壓水（除鱗水）就是用來處理鋼坯表面雜質(zhì)的。高壓水泵產(chǎn)生的高壓水（16～21MPa）進(jìn)入噴嘴，在噴嘴的作用下，高壓水形成一個(gè)具有很大沖擊力的水束射向鋼坯，將鋼坯表面的氧化鐵皮除去。軋制不同的板材，要求除鱗水的壓力和用量也不盡相同，這就需要用到液力耦合器來改變水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到供水要求。

2 液力耦合器

2.1 液力耦合器的組成和工作原理

液力耦合器是一種液力傳動(dòng)裝置，是利用液體的動(dòng)能來傳遞功率的一種液壓傳動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)主要由殼體、泵輪、渦輪3個(gè)部分組成。液力耦合器的輸入軸與電動(dòng)機(jī)聯(lián)在一起，隨電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，是液力耦合器的主動(dòng)部分。渦輪和輸出軸連接在一起（輸出軸和水泵連在一起），是液力耦合器的從動(dòng)部分，帶動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)。

液力耦合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動(dòng)量矩變化，來傳遞電動(dòng)機(jī)能量并改變輸出轉(zhuǎn)速的，電動(dòng)機(jī)通過液力耦合器的輸入軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪，對(duì)工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動(dòng)液力耦合器的從動(dòng)工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和水泵，這樣，可以通過控制工作腔內(nèi)的油壓來控制輸出軸的力矩，達(dá)到控制負(fù)載的轉(zhuǎn)速的目地。因此，液力耦合器可以在電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)節(jié)。在變頻器未應(yīng)用以前，液力耦合器是一種理想的交流電機(jī)調(diào)速方式。

2.2 液力耦合器的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，

2.3 性能指標(biāo)

價(jià)格便宜，對(duì)精度要求低，能量轉(zhuǎn)換效率低，結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，運(yùn)行時(shí)需加專用的冷卻系統(tǒng)，液壓油老化后定時(shí)更換。

3 羅克韋爾/A*B變頻器改造方案

唐鋼中厚板軋鋼車間高壓水除鱗以前用的就是液力耦合器調(diào)速，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)有如下問題：

軋制不同的鋼種，需要除鱗水提供不同的壓力和流量，就需要我們經(jīng)常調(diào)整液力耦合器進(jìn)油量，來調(diào)整供水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到生產(chǎn)需要。在實(shí)際生產(chǎn)操作中比較繁瑣；液力耦合器在長時(shí)間的運(yùn)行后，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，致使耦合器的軸瓦溫度升高很快很高，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)讓耦合器軸瓦燒毀，而影響生產(chǎn)；長時(shí)間運(yùn)行還會(huì)使耦合器軸瓦密封遭到破壞，致使耦合器漏油，影響環(huán)境；經(jīng)過一段使用時(shí)間后維護(hù)費(fèi)用較高；液力耦合在低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生機(jī)械損耗和轉(zhuǎn)差損耗較大，效率較低，造成電能浪費(fèi)；液力耦合器損壞后檢修較為繁瑣，維修周期較長，維修完畢后安裝時(shí)較為困難。

針對(duì)以上這些問題我公司對(duì)液力耦合器進(jìn)行了改造，選用了羅克韋爾/A*B中壓變頻器（PowerFlex7000）代替液力耦合器。

3.1 改造過程

將液力耦合器拆除，基礎(chǔ)重新更改合適后，將水泵直接與電機(jī)連接（中間增加個(gè)連接軸）。高壓開關(guān)柜出線接到A*B變頻器進(jìn)線柜，然后將變頻器出線接至電機(jī)即可。

3.2 變頻器與液力耦合器比較

PowerFlex7000變頻器，主要特點(diǎn)可靠性高，輸入輸出波形好，維護(hù)方便，故障率低，普通電機(jī)無需改動(dòng)。

變頻器通過DP總線連接至西門子S7-300PLC，泵體速度可由操作人員在電腦WINCC畫面上按照軋鋼工藝要求更改，節(jié)省人力，非常方便。

沒有了液力耦合器，不會(huì)產(chǎn)生因液力耦合器故障而產(chǎn)生的事故時(shí)間，提高了軋鋼效率。

變頻器的效率大大提高，節(jié)約相當(dāng)可觀的費(fèi)用。

4 節(jié)能與計(jì)算

高壓變頻器效率高，轉(zhuǎn)差損耗小，其效率達(dá)0.95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，其效率就越低。液力耦合器低速時(shí)效率低，主要是由耦合器帶動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差率大造成的；能量損失是由耦合器帶動(dòng)工作油轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ饔偷臒崃浚糠洲D(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ饔偷膭?dòng)能而流出。圖1所示為變頻器和液力耦合器的效率曲線。

圖1 兩種調(diào)速方式效率曲線

液力耦合器從電動(dòng)機(jī)輸出軸取的機(jī)械能，通過液力變速后送入負(fù)載，其效率不可能為1；變頻器從電網(wǎng)取的電能，通過逆變后送入電動(dòng)機(jī)電樞， 其效率也不可能是1。在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變頻器的效率變化不大，變頻器在輸出低轉(zhuǎn)速下降時(shí)效率仍然較高，例如：100%轉(zhuǎn)速時(shí)效率97%，75%轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于95%，20%轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于90%；液力耦合器的效率基本上與轉(zhuǎn)速成正比，隨著輸出轉(zhuǎn)速的降低，效率基本上成正比下降。例如：100%轉(zhuǎn)速時(shí)效率95%，75%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約72%，20%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約19%。

節(jié)能計(jì)算改造后，查得變頻器的低頻轉(zhuǎn)速下的參數(shù)如下：N=1300r/min，P1=160kW，cos?=0.63，η=94%.，求得電機(jī)軸輸出功率為Pz=150KW。

由以上數(shù)據(jù)，反過來推導(dǎo)在使用液力耦合器時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速在N=1300r/min時(shí)液力耦合器的輸入功率P1’，在水泵轉(zhuǎn)速1300r/min時(shí)，液力偶軸輸出功率也為150kW，由圖中知道液力耦合器的效率為47%，求得液力耦合器的輸入功率為150kW/47%=320kW。所以在低頻時(shí)候變頻器比耦合器節(jié)能為320kW-150kW=170kW。

在高頻時(shí)，變頻器的效率和液力耦合器的效率相差不是很大，所以節(jié)能效果不是很明顯。

通過現(xiàn)場觀察和計(jì)算，變頻器在低頻運(yùn)行時(shí)，所占時(shí)間的比為68%。變頻器每天運(yùn)行24h，每年運(yùn)行320d。每年節(jié)能為320×24×68%×170kW=887808kW。

一年所節(jié)省的電費(fèi)為（0.5元/kWh）：718080×0.5元=443904元

5 結(jié)語

綜上所述，本文對(duì)高壓變頻器和液力耦合器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，及其在水泵調(diào)速節(jié)能運(yùn)行應(yīng)用中的比較得出：高壓變頻器在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面都是優(yōu)越的、先進(jìn)的。變頻器和液力耦合器相比，不僅技術(shù)先進(jìn)，而且節(jié)能可觀。雖然高壓變頻器的改造投資較大，但它的綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于液力耦合器，它不僅是水泵調(diào)速節(jié)能的發(fā)展方向，而且也符合國家政策的規(guī)定，是值得推廣的節(jié)能的先進(jìn)技術(shù)。

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