淺談軋鋼廠液壓系統(tǒng)的節(jié)能減排

王磊，毛召芝

(1.寶鋼股份厚板部，上海201901;2.中冶京誠工程技術(shù)有限公司軋鋼工程技術(shù)所，北京100176)

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時也是高耗能產(chǎn)業(yè)，其能耗占全國總能耗的15%左右。然而，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，資源、能源的約束日益增強(qiáng)，國家下達(dá)的GDP 能耗約束指標(biāo)日益受到各級政府的重視。在一些鋼鐵大省，鋼鐵行業(yè)一直是節(jié)能工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)［1］。具體到軋鋼生產(chǎn)工序，除了優(yōu)化軋制工藝外，軋制設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計和軋制液壓系統(tǒng)效率的提高也可以為企業(yè)的節(jié)能減排起到關(guān)鍵的作用。下面將通過對液壓系統(tǒng)的控制元件、執(zhí)行元件、工作介質(zhì)和輔助裝置等進(jìn)行改進(jìn)，以提高系統(tǒng)的能量利用率或提高系統(tǒng)的效率，從而達(dá)到液壓系統(tǒng)節(jié)能的目的［2］。

1 液壓系統(tǒng)動力裝置

1.1 液壓主泵的應(yīng)用

軋鋼生產(chǎn)線的液壓系統(tǒng)動力裝置主要是指液壓泵組，該裝置類似于人體的心臟，是整個系統(tǒng)的動力來源處，同時也是系統(tǒng)的最關(guān)鍵的設(shè)備之一。目前軋鋼液壓系統(tǒng)用做動力源的主泵主要有柱塞泵和葉片泵，其主要區(qū)別是效率的高低，采用進(jìn)口柱塞泵的效率可高達(dá)95%左右，國產(chǎn)柱塞泵的效率可達(dá)90%左右，采用葉片泵的效率則只有85%左右。例如:某厚板軋機(jī)AGC 高壓液壓系統(tǒng)主泵組的傳動電機(jī)的功率高達(dá)10 ×132 kW;某熱連軋軋機(jī)AGC 高壓液壓系統(tǒng)主泵組的傳動電機(jī)的功率高達(dá)7 ×160 kW;某酸軋機(jī)組的軋機(jī)低壓液壓系統(tǒng)主泵組的傳動電機(jī)的功率高達(dá)6 ×110 kW。顯而易見，采用不同的泵組輸送功率的差距可達(dá)近百千瓦。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計，目前國內(nèi)大多數(shù)國有大中型企業(yè)在軋鋼生產(chǎn)線上為主要設(shè)備(例如軋機(jī)、剪機(jī)、矯直機(jī)等)的輸送液壓動力源的系統(tǒng)采用進(jìn)口的柱塞泵，其他輔助設(shè)備采用國產(chǎn)柱塞泵作為動力源，這樣既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效率，又能達(dá)到節(jié)能的目的。但是大部分民營企業(yè)在新建項目的時候出于建設(shè)投資資金的考慮，會盡量采用國產(chǎn)柱塞泵組和葉片泵，這樣節(jié)約了第一次的建設(shè)投資，但是會在影響機(jī)組作業(yè)率的同時增加運(yùn)營成本，節(jié)能的效果相對較差。

1.2 蓄能器的應(yīng)用

蓄能器是將壓力液體的液壓能轉(zhuǎn)換為勢能儲存起來，當(dāng)系統(tǒng)需要時再由勢能轉(zhuǎn)化為液壓能而做功的容器。當(dāng)蓄能器作為輔助動力源時，在液壓系統(tǒng)工作時能補(bǔ)充油量，減少液壓主泵供油，降低電機(jī)功率，減少液壓系統(tǒng)尺寸及質(zhì)量，節(jié)約投資［3］。例如某鋼廠酸軋機(jī)組的液壓AGC 系統(tǒng)在正常軋制時，由于軋制壓下量相對AGC 缸行程較小，但是頻響高，所以在伺服系統(tǒng)上設(shè)置了蓄能器以實(shí)現(xiàn)高頻響軋制液壓油的快速進(jìn)出;同時在進(jìn)行輥縫的快速開閉時，如果設(shè)計的液壓站系統(tǒng)不考慮蓄能器將使泵的數(shù)量或者能力增加，從而使總的電機(jī)功率大幅增加30%～50%;所以綜合考慮，為系統(tǒng)設(shè)置6 ×60 L 的皮囊式蓄能器，通過合理匹配蓄能器參數(shù)和液壓泵參數(shù)，在保證系統(tǒng)各項功能要求的情況下，大幅減小液壓泵及原動機(jī)的容量，使系統(tǒng)能量得以合理應(yīng)用，減少系統(tǒng)發(fā)熱和溫升，提高系統(tǒng)效率。目前，蓄能器作為輔助動力源已在各類液壓設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，成為實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)節(jié)能的重要技術(shù)手段之一［2］。

2 關(guān)鍵液壓閥的選用

液壓閥的能耗表現(xiàn)在工作時，會引起閥及其連接部位產(chǎn)生泄漏、內(nèi)摩擦及發(fā)熱等，如溢流閥的溢流損失，以及設(shè)在液壓缸或馬達(dá)的回油路上的背壓閥的壓力損失等。

2.1 帶記憶功能的電磁換向閥的應(yīng)用

在軋鋼生產(chǎn)線的一般場合，液壓缸或者液壓馬達(dá)的動作主要是雙向，所以電磁換向閥幾乎是應(yīng)用最廣泛的液壓元件之一。盡管單個電磁換向閥的功耗較低(約30 W)但是其數(shù)量之多，也不容小視。例如在酸軋機(jī)組的軋機(jī)工作輥、中間輥以及支撐輥的鎖緊裝置等的液壓控制回路上采用帶定位器的電磁換向閥(俗稱帶“記憶”功能，即只需瞬間通電即完成換向開關(guān)動作后，閥芯位置無需一直長時間得電來保持)，從而保證線圈壽命長，在高低溫、防爆等場合有較高的安全性。

2.2 比例閥加壓力補(bǔ)償器的應(yīng)用

從根本上講，比例控制就是使輸出與輸入之間保持線性關(guān)系，使執(zhí)行元件(機(jī)構(gòu))的動作能隨著給定信號變化而準(zhǔn)確、敏捷地反應(yīng)。目前多數(shù)比例閥能滿足這樣的要求，但不少設(shè)備在使用中其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載是不斷變化的(步進(jìn)梁系統(tǒng))，如果僅靠比例閥實(shí)現(xiàn)的流量控制來實(shí)現(xiàn)對變負(fù)載的速度控制，在開環(huán)回路中是很難實(shí)現(xiàn)的，閉環(huán)回路從理論上是可行的，但必須要求高速PLC 和配套的高頻響伺服比例閥或伺服閥［4］。通過和壓力補(bǔ)償器的配套使用，可以保證在負(fù)載壓力發(fā)生變化時系統(tǒng)或回路輸出流量的穩(wěn)定。例如在某軋鋼生產(chǎn)線的步進(jìn)梁行走機(jī)構(gòu)中采用了比例換向閥與壓力補(bǔ)償器的設(shè)計形式，運(yùn)行很平穩(wěn)，運(yùn)行一年來沒有發(fā)生過鋼卷傾翻等事故。在各種不帶壓力補(bǔ)償器的普通比例閥中，彈簧反饋型閥的流量分辨率為1∶20，電反饋型閥的流量分辨率為1∶100，而配置壓力補(bǔ)償器后這類閥的調(diào)節(jié)比可達(dá)到1∶300，且整個壓差變化范圍內(nèi)的流量特性很好。所以壓力補(bǔ)償器與比例方向閥的結(jié)合提高了液壓系統(tǒng)控制精度，同時也是目前液壓控制系統(tǒng)中大力推廣的節(jié)能降耗技術(shù)之一。

3 冷卻與加熱裝置

由于軋鋼生產(chǎn)線的液壓站相對來說都屬于大中型，并且液壓油的溫度是整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)之一，所以軋鋼生產(chǎn)線的液壓站基本上都采用凈環(huán)水作為冷卻介質(zhì)的循環(huán)冷卻裝置，同時在油箱上采用插入式的電加熱形式。

3.1 循環(huán)冷卻裝置

循環(huán)冷卻裝置一般設(shè)計為循環(huán)泵加冷卻器的結(jié)構(gòu)形式。循環(huán)泵一般有齒輪泵和螺桿泵兩種形式，冷卻器一般有板式和管式兩種形式。由于螺桿泵和板式冷卻器的效率較高，所以一般采用螺桿泵和板式冷卻器作為循環(huán)冷卻裝置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，冷卻器的功率一般為主泵組電機(jī)功率的30%左右。板式冷卻器的面積、流道模型設(shè)計、材質(zhì)、板片厚度以及布置形式等對傳熱效率影響比較大，另外也要關(guān)注機(jī)組的冷卻介質(zhì)的工藝情況。上述參數(shù)對系統(tǒng)的散熱冷卻效果至關(guān)重要。山東、河北某些地區(qū)處于鹽堿地帶，水質(zhì)堿性偏高，容易產(chǎn)生結(jié)垢等不利于冷卻的現(xiàn)象。例如山東東部沿海地區(qū)某鋼廠的冷軋機(jī)組高壓AGC 液壓系統(tǒng)的油溫在生產(chǎn)運(yùn)行一段時間后一直偏高，甚至在冬天此種現(xiàn)象也常有發(fā)生，并且該板式換熱器采用世界一流產(chǎn)品，材質(zhì)為不銹鋼304，面積達(dá)到30 m2，夏天進(jìn)水溫度最高低于30 ℃。在排除質(zhì)量故障以及設(shè)計失誤后，拆除該換熱器時發(fā)現(xiàn)由于水質(zhì)問題導(dǎo)致板片結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了熱交換效率，造成油溫一直居高不下，電能耗和冷卻水量增加，間接造成水處理的能耗提高。

3.2 加熱裝置

目前軋鋼生產(chǎn)線上液壓介質(zhì)的加熱主要采用油箱插入式電加熱器。液壓介質(zhì)的溫升也是整個系統(tǒng)能量消耗較大的一部分。而決定加熱能耗的因素主要有:電加熱器的功率、介質(zhì)的黏度、輸送管路的大小及長度、油箱的容積及結(jié)構(gòu)、油箱的保溫等。其中電加熱器的功率一般按照每立方米的容積配置1.5～2.0 kW即可。介質(zhì)的黏度主要是考慮國內(nèi)南北方的冬季溫差大，一般在北方的機(jī)組考慮黏度比南方要略低。而液壓站盡量布置在靠近流量最大的用戶點(diǎn)，并且有條件的北方用戶盡量將其布置在地下油庫，管徑的設(shè)計要盡量考慮富余量小，這樣除了減少設(shè)備投資還能減少熱量散發(fā)的面積。油箱的容積按照國家相關(guān)規(guī)范及設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，一般取泵組最大工作流量的6～10 倍，但是基于目前的節(jié)能和綠色設(shè)計要求，油箱的容積在滿足生產(chǎn)的前提下盡量考慮倍數(shù)關(guān)系較小值;另外在北方地區(qū)盡量考慮方型結(jié)構(gòu)形式，在南方地區(qū)則偏向于圓柱型結(jié)構(gòu)形式。

4 其他工藝等因素

軋鋼生產(chǎn)線由于液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)(液壓缸和液壓馬達(dá))眾多，所以液壓站的數(shù)量也比較分散。但是在設(shè)計的時候應(yīng)盡量壓縮液壓站的數(shù)量，盡量將同類型、就近的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)納入一個液壓系統(tǒng)中，這樣就會減少系統(tǒng)數(shù)量，使液壓系統(tǒng)的裝機(jī)容量下降。例如某酸軋機(jī)組和連續(xù)退火機(jī)組將帶鋼的糾偏裝置由原設(shè)計單獨(dú)的液壓站優(yōu)化納入到機(jī)組入出口等其他液壓站中，到達(dá)了既不影響機(jī)組生產(chǎn)，也節(jié)能的效果。

在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，要與生產(chǎn)線工藝及機(jī)械設(shè)備充分結(jié)合，了解工藝生產(chǎn)時序以及機(jī)械設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)，充分考慮機(jī)組最大工藝參數(shù)在生產(chǎn)時的作業(yè)率(即耗量最大的用戶點(diǎn)的使用概率)，在做液壓系統(tǒng)設(shè)計時不設(shè)單獨(dú)常規(guī)的備用泵組，在機(jī)組最大工藝參數(shù)生產(chǎn)時投入備用泵。

軋鋼生產(chǎn)線的液壓系統(tǒng)大多數(shù)布置在地下油庫等單獨(dú)的空間，在生產(chǎn)過程中，液壓系統(tǒng)的裝機(jī)功率最終都轉(zhuǎn)化為熱量通過油箱、管路、元件等散發(fā)出去，所以地下油庫的通風(fēng)就顯得尤為關(guān)鍵，特別是風(fēng)量大小、風(fēng)管的布置、通風(fēng)口的設(shè)置等都對熱量的及時合理疏散影響很大。由于之前的軋鋼生產(chǎn)線特別是國有企業(yè)的機(jī)組，液壓系統(tǒng)主要是由外方做詳細(xì)設(shè)計甚至供貨，所以油庫的通風(fēng)系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)由外方提供;而民營企業(yè)大多對地下油庫的通風(fēng)關(guān)注較少。所以到目前機(jī)組大部分設(shè)備特別是液壓系統(tǒng)已經(jīng)具備國產(chǎn)化的條件，通風(fēng)系統(tǒng)這一以前不太關(guān)注但是對系統(tǒng)節(jié)能也很關(guān)鍵的因素也要詳細(xì)考慮周全。

另外系統(tǒng)的密封性能也是液壓系統(tǒng)節(jié)能減排的影響因素之一。隨著液壓系統(tǒng)設(shè)備長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，有些液壓元件、管件之間連接處的密封老化，導(dǎo)致出現(xiàn)泄漏，所以在設(shè)計的時候盡量選用錐密封，同時生產(chǎn)方要根據(jù)統(tǒng)計的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，盡量在密封等老化之前提前更換，做到提前預(yù)防，將跑、冒、滴、漏提前消除。

5 結(jié)束語

隨著國家十二五規(guī)劃對環(huán)境保護(hù)的日益重視，以及2013年下半年我國大部分地區(qū)特別是京津冀地區(qū)出現(xiàn)的持續(xù)霧霾天氣，鋼鐵行業(yè)作為“三高行業(yè)”，已經(jīng)成為眾矢之的，所以鋼鐵行業(yè)的環(huán)保門檻越來越高，節(jié)能減排壓力越來越大。作為軋鋼生產(chǎn)線的液壓設(shè)備，根據(jù)粗略統(tǒng)計，裝機(jī)容量和固定投資基本上都占機(jī)組的10%左右，但是直到近兩年才在設(shè)計制造和生產(chǎn)維護(hù)的過程中關(guān)注其節(jié)能減排。文中從設(shè)計和生產(chǎn)維護(hù)的角度出發(fā)，對軋鋼生產(chǎn)線的液壓設(shè)備的節(jié)能減排點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)化和分析，希望為后續(xù)新建或改造項目以及現(xiàn)有生產(chǎn)線的維護(hù)，提供一些思路和方法。

［1］李輝，程繼軍，郜學(xué)，等.鋼鐵行業(yè)節(jié)能量定量分析模型的研究與應(yīng)用［C］//第九屆中國鋼鐵年會論文集，2013:1-7.

［2］蘇欣平，楊鋼，肖匯，等.液壓系統(tǒng)節(jié)能的應(yīng)用與發(fā)展［J］.流體傳動與控制，2011(2):61-63.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊:第四卷［M］.4 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:17-686.

［4］楊殿寶.壓力補(bǔ)償器在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.流體傳動與控制，2012(3):38-40.