高壓變頻器在不銹鋼中厚板淬火機(jī)冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用

張曉瑋

（酒泉鋼鐵集團(tuán)公司宏興股份公司，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

1 前言

酒鋼不銹鋼中厚板退火酸洗工序退火段采用輥底式加熱爐，對板材進(jìn)行固溶、回火、正火、淬火等處理，爐子出口采用輥式淬火機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，淬火機(jī)為多冷卻段連續(xù)冷卻方式，鋼板在淬火過程中依次通過不同的冷卻段，即先在快速冷卻段采用高壓大水量（壓力最大為0.8M Pa，流量最大為5.5m3/（m i n·m2））以最大限度吸收鋼板表面的熱量；然后，在低壓段以較小的水量繼續(xù)冷卻鋼板，最終使鋼板溫度降到室溫，在冷卻過程中冷卻水量根據(jù)板材規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。但由于淬火機(jī)高壓段及低壓段供水循環(huán)泵為工頻運(yùn)行，水量的頻繁調(diào)整直接影響高壓水泵的穩(wěn)定運(yùn)行，所以從投運(yùn)至今，針對高、低壓段供水流量基本不調(diào)整，一直采用大流量冷卻，冷卻薄規(guī)格板材時多余水量由管道旁路泄壓，造成了不必要的能源浪費(fèi)。

2 改造前原有系統(tǒng)簡介

2.1 淬火機(jī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝過程

中厚板淬火機(jī)高壓濁環(huán)水系統(tǒng)，采用4臺高壓水泵3用1備的方式運(yùn)行。運(yùn)行水泵目前均為工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，配合各工頻運(yùn)轉(zhuǎn)水泵出口閥門開度，使對應(yīng)管網(wǎng)系統(tǒng)入口保持在相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)點(diǎn)上。高壓淬火段設(shè)有旁通閥，根據(jù)壓力自動調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力始終保持在0.8M Pa。

淬火機(jī)低壓濁環(huán)水系統(tǒng)，采用4臺循環(huán)水泵2用2備的方式運(yùn)行。運(yùn)行的水泵目前均為工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，配合各工頻運(yùn)轉(zhuǎn)水泵出口閥門開度，使對應(yīng)管網(wǎng)系統(tǒng)入口保持在滿足冷卻終端需求的運(yùn)行參數(shù)點(diǎn)上。

淬火機(jī)提升泵系統(tǒng)，采用6臺高壓水泵4用2備的方式運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)管網(wǎng)流程圖

圖1 高壓濁環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)流程示意圖

圖2 低壓濁環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)流程示意圖

圖3 提升泵系統(tǒng)管網(wǎng)流程示意圖

2.3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備配置情況

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備配置情況見表1。

表1 濁環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)場配置

2.4 原有設(shè)備配置的運(yùn)行模式導(dǎo)致高能耗的主要原因

高、低壓濁環(huán)水系統(tǒng)、提升泵系統(tǒng)中循環(huán)水泵常年采用工頻配合出口閥門調(diào)節(jié)的運(yùn)行模式，運(yùn)行能耗較大。高、低壓濁環(huán)水系統(tǒng)中終端冷卻系統(tǒng)設(shè)有旁通閥（泄壓用），通過旁通閥的自動調(diào)節(jié)來控制總管壓力，達(dá)到工藝所需的壓力及流量，旁通閥的大開度調(diào)節(jié)會造成水泵能耗的浪費(fèi)。目前系統(tǒng)采用水泵工頻運(yùn)行，沒有考慮與環(huán)境溫度和系統(tǒng)荷載變化相適應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制運(yùn)行方式，造成水泵能量浪費(fèi)、系統(tǒng)效率偏低。

3 高壓變頻改造主要項目及技術(shù)要點(diǎn)

3.1 基本參數(shù)采集及監(jiān)控

3.1.1 高、低壓濁環(huán)水系統(tǒng)

（1）采集冷卻水供回水溫度、管網(wǎng)入口壓力和流量、水泵運(yùn)行特征參數(shù)（電流和頻率），以及閥門開度等參數(shù)信號。

（2）實施泵閥一體化優(yōu)化控制，盡量使高壓淬火段的旁通閥處于小開度或者全關(guān)狀態(tài)。

（3）提高循環(huán)水系統(tǒng)整體能效，達(dá)到綜合節(jié)能目標(biāo)。

3.1.2 提升泵系統(tǒng)

（1）采集提升后指定節(jié)點(diǎn)的水位、管網(wǎng)入口流動狀態(tài)參數(shù)（壓力和流量）、水泵運(yùn)行特征參數(shù)（電流和頻率），以及閥門開度等參數(shù)信號。

（2）采集冷卻塔進(jìn)回水溫度，作為后期冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)據(jù)依據(jù)。

（3）根據(jù)信號的監(jiān)測，進(jìn)行循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行能效實時監(jiān)測和連續(xù)分析。

（4）在實行上述兩項控制的同時，開展水泵的泵閥一體優(yōu)化控制，使水泵輸入和輸出功率極小化，從而使節(jié)電效果極大化。

（5）提高循環(huán)水系統(tǒng)整體能效，達(dá)到綜合節(jié)能目標(biāo)。

3.2 控制措施

（1）采用泵閥一體變頻技術(shù)

根據(jù)冷卻水溫度的變化，采用泵閥一體智能變頻節(jié)能技術(shù)，使水泵輸入和輸出功率極小化，從而使節(jié)電效果極大化。

（2）采用管網(wǎng)壓力平衡技術(shù)

在滿足系統(tǒng)水量需求的前提下，泵閥一體智能變頻技術(shù)配合管網(wǎng)壓力智能平衡技術(shù)，促使高壓淬火段的旁通閥處于小開度或者全關(guān)狀態(tài)，管網(wǎng)壓力維持在0.8M Pa。低壓淬火段的管網(wǎng)壓力維持在0.4M Pa。

（3）采用管網(wǎng)平衡高效輸配技術(shù)

在確保動態(tài)工況下，終端多個支路用戶，用水動態(tài)平衡按需供給的同時，通過對輸配管網(wǎng)閥門開度的系統(tǒng)優(yōu)化，使系統(tǒng)輸配阻力最小化。

（4）采用優(yōu)化水位控制技術(shù)

在滿足系統(tǒng)工藝供水要求的前提下，提升泵系統(tǒng)采用水位優(yōu)化控制程序，確保循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)水流量的整體優(yōu)化，使系統(tǒng)運(yùn)行處于良性循環(huán)狀態(tài)。

（5）泵組高效群控技術(shù)

根據(jù)不同季節(jié)對冷卻水量需求的變化，在水位優(yōu)化控制的前提下，對運(yùn)行中的提升泵組進(jìn)行高效群控，使整個泵組耗功極優(yōu)化。

3.3 變頻配置

對于高壓濁環(huán)水系統(tǒng)，高壓水泵3用1備的運(yùn)行方式，采用1套一拖二+2套一拖一的變頻配置。對于低壓濁環(huán)水系統(tǒng)，高壓水泵2用2備的運(yùn)行方式，本方案采用2套一拖二的變頻配置。對于提升泵系統(tǒng)，高壓水泵4用2備的運(yùn)行方式，本方案采用2套一拖二+2套一拖一的變頻配置，見圖4。

采用的變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、d v/d t及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，不需要更換電機(jī)。

變頻調(diào)速系統(tǒng)由現(xiàn)場D C S監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行控制，根據(jù)運(yùn)行工況按設(shè)定程序，實現(xiàn)對負(fù)載設(shè)備電動機(jī)轉(zhuǎn)速的實時控制。

變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運(yùn)行，也可投工頻運(yùn)行，并具有旁路切換功能。

在現(xiàn)場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，維持機(jī)組的工況不變。

為確保多變工況下，循環(huán)水泵泵組運(yùn)行效率的優(yōu)化，采用泵閥一體智能變頻方案，即為各水泵高效變頻運(yùn)行的開展，配套相應(yīng)的閥位一體控制軟硬件模塊。

圖4 變頻配置方案

3.4 安全保護(hù)

3.4.1 水泵變頻器安全保護(hù)

（1）電涌保護(hù)針對侵入主電路電源線之間和接地點(diǎn)之間的電涌。

（2）過載保護(hù)變頻器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達(dá)規(guī)定時間以上，防止變頻器、電線等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。過載保護(hù)需要反時特性，通常采用電子熱繼電器進(jìn)行保護(hù)。過負(fù)載是負(fù)載G D 2（慣性）過大或因負(fù)載過大使電動機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生。

（3）再生過電壓保護(hù)采用變頻器使電動機(jī)快速減速時，再生功率使直流電路電壓升高，超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速減速辦法，防止過電壓。

（4）欠壓保護(hù)。

（5）接過電流保護(hù)變頻器負(fù)載側(cè)接時，保護(hù)變頻器要有接過電流保護(hù)功能。但確保人身安全，需要裝設(shè)漏電保護(hù)。

（6）變頻柜冷卻風(fēng)機(jī)異常有冷卻風(fēng)機(jī)裝置，當(dāng)風(fēng)機(jī)異常時裝置內(nèi)溫度將上升，采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或元件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止變頻器。溫度上升很小對運(yùn)轉(zhuǎn)無妨礙場合，可以省略。

（7）過熱保護(hù)防止變頻器內(nèi)部過熱引起元器件損壞。

（8）短路保護(hù)防止輸出端短路產(chǎn)生過流損壞變頻器。

3.4.2 異步電動機(jī)保護(hù)

（1）過載保護(hù)過載檢出裝置與變頻器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)過熱時，異步電動機(jī)內(nèi)埋入溫度檢出器，利用裝變頻器內(nèi)電子熱繼電器保護(hù)來檢出過熱。動作頻繁時，可以考慮減輕電機(jī)負(fù)載、增加電機(jī)及變頻器容量等。

（2）超頻（超速）保護(hù)變頻器輸出頻率異步電動機(jī)速度超過規(guī)定值時，停止變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4.3 系統(tǒng)連鎖保護(hù)

具有主設(shè)備電源的現(xiàn)場主設(shè)備電源的連鎖切換。P L C系統(tǒng)的冗余切換。主備泵的連鎖切換。變頻器的安全啟停。

系統(tǒng)故障退出后的快速復(fù)位。

4 改造后運(yùn)行情況

改造后系統(tǒng)運(yùn)行正常，旁路泄水閥門基本在全關(guān)狀態(tài)，與改造前相比，針對淬火機(jī)冷卻相同規(guī)格的板材，供水泵組少開2臺循環(huán)泵、提升泵組少開1臺自吸泵，每日節(jié)約電耗大于22000k W·h，降低噸鋼能源成本21元。

5 結(jié)論

淬火機(jī)冷卻水系統(tǒng)通過采用高壓變頻改造后，成功解決了中厚板間歇生產(chǎn)過程高能耗問題，同時，由于主循環(huán)水泵變頻經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，以及根據(jù)氣候溫度變化對開機(jī)臺數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，綜合節(jié)能效果明顯。