高壓變頻器在方坯連鑄機二次噴淋供水泵上的應用

鄧洪輝 寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限公司能源中心陳 池 上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術有限公司

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高壓變頻器在方坯連鑄機二次噴淋供水泵上的應用

鄧洪輝 寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限公司能源中心
陳 池 上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術有限公司

摘要：方坯連鑄二次噴淋冷卻用水量不穩(wěn)定，壓力波動大，導致設備損壞，改用回流裝置調節(jié)壓力浪費了大量富余水量的輸送能耗，為此提出采用高壓變頻器根據(jù)水量需求進行控制，從而做到節(jié)能。改造實踐證明，結合工藝控制需求，采用完美無諧波高壓變頻器對二次噴淋供水泵實施調速節(jié)能控制，系統(tǒng)穩(wěn)定，調節(jié)及時，且節(jié)省了大量的電能，具有較好的經(jīng)濟與社會效益。

關鍵詞：高壓變頻；節(jié)能；二次噴淋；供水泵

1 前言

某鋼廠150 t轉爐水處理車間為主產(chǎn)線的轉爐、精煉、連鑄、除塵、空壓機站等區(qū)域提供合格水源，其中，連鑄二次噴淋供水泵為方坯連鑄機提供冷卻水。由于該連鑄機出坯速度時常變化、冷卻負荷和環(huán)境溫度都在不斷變化，導致冷卻需要的水量也不時發(fā)生變化。但供水泵無調節(jié)裝置，泵長期高速運轉，致使系統(tǒng)投運后噴淋水壓力波動較大，產(chǎn)線不用水時壓力可達到2.4 MPa，遠遠超出工藝需求的1.1～1.3 MPa的設計壓力范圍，直接造成設備損壞。此后在供水主管道上加裝了一套回流裝置，用以調節(jié)主管壓力。但使用中發(fā)現(xiàn)，回流裝置調節(jié)過程中壓力仍然有較大波動，最高時仍達到1.8 MPa，雖能滿足生產(chǎn)要求，但有大量的水回流，為輸送這部分回流水耗費了大量的電能?？紤]高壓變頻技術日趨成熟，調節(jié)范圍大，調節(jié)及時，可節(jié)省大量能耗，特提出采用高壓變頻器改造其中一臺供水泵，實現(xiàn)結合工藝需求的恒壓供水，從而可避免壓力波動對生產(chǎn)的影響， 同時電動機也可在低于工頻狀況下運轉，并節(jié)省大量的電能。

2 連鑄二次噴淋水系統(tǒng)工藝描述

經(jīng)轉爐冶煉完成的鋼水倒入連鑄機中，在結晶器內表面凝結出鋼殼，但內部依然為鋼液，為此通過噴頭噴水霧使其內部冷卻并凝結成固體形成鋼坯，二次噴淋水就是用于冷卻鋼坯的水源。

連鑄二次噴淋供水系統(tǒng)主要由濁環(huán)冷水池、二次噴淋供水泵、連鑄調節(jié)閥組、旋流井及提升泵、高效沉淀器、濁環(huán)熱水池及管道組成。二次噴淋供水泵將冷水池中的水供給連鑄調節(jié)閥組，連鑄調節(jié)閥組通過調節(jié)提供根據(jù)工藝要求的水量對鋼坯進行冷卻，使用后的水經(jīng)過自流進入旋流井，經(jīng)旋流井沉淀大顆粒，通過水泵提升送至高效沉淀器再次沉淀后，自流進入濁環(huán)熱水池，通過水泵提升輸送至冷卻塔冷卻后進入濁環(huán)冷水池，再次循環(huán)使用，如圖1所示。

圖1　連鑄二次噴淋冷卻水系統(tǒng)

3 高壓變頻節(jié)能控制

3.1系統(tǒng)控制方式

方坯連鑄機二次噴淋供水泵采用一用一備方式，正常生產(chǎn)時運行一臺泵，當一臺泵出現(xiàn)故障時，另一臺泵自動投入運行。為保持變頻改造前后運行方式一致，采用手動一拖二帶工頻旁路方式對兩臺水泵進行變頻控制，一工頻一變頻，二者間有連鎖，保證變頻器同時只能拖動一臺泵，而另一臺泵可隨時以工頻方式投用。高壓主回路如圖2所示，雙回路供電，K12和K22為單刀雙置隔離開關，兩者間有電氣連鎖，K11和K21隔離開關帶機械互鎖，當一臺投變頻時另一臺不允許投用。正常運行時投用由變頻拖動的水泵，另一臺為備用泵，定修時可將主備兩臺泵進行手動切換。當變頻器出現(xiàn)故障時按原控制邏輯自動投用另一臺泵工頻運行，當兩臺泵均有故障時則報重故障停產(chǎn)。

圖2　高壓主回路圖

3.2高壓變頻器選用

方坯連鑄機二次噴淋供水泵為10 kV高壓泵，電機為Y4506-4型普通電機，額定功率400 kW，額定電流28.6 A，額定轉速1 480 rpm，功率因數(shù)0.86，采用直接啟動方式。

通過調研對比，選用完美無諧波、多單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器，逆變主電路拓撲采用多電平形式，逆變電路采用高壓功率元件脈寬調制技術，整流用移相變壓器采用H級絕緣干式變壓器。這種高壓變頻器電壓波形好、控制精度高，適應普通三相異步高壓電機。它技術成熟、應用廣泛，且具有過流、過壓、欠壓、缺相、短路、過載、過熱、接地、電動機過載、外部報警、主器件自保護等完備的保護功能。

根據(jù)電機的額定電壓和額定電流，選用高壓變頻器容量為10 kV，500 kVA，8個IGBT功率單元串聯(lián)，額定電流為31 A，額定功率因數(shù)為0.97，輸出電流諧波不超過2%。

3.3變頻器頻率控制方式

變頻器運行頻率由PLC上位控制系統(tǒng)給定，有兩種方式：（1）由操作人員手動給定；（2）由PLC自動采集生產(chǎn)節(jié)奏信息和管道壓力并通過邏輯控制和PID調節(jié)給定。方式（1）通常只在信號采集系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用，受人為操作和判斷的影響，控制精度和及時性稍差。方式（2）首先根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏判斷，當沒有生產(chǎn)時使管路維持更低的壓力，由此可以減少對設備的損害，延長壽命，同時也能降低供水泵的電耗；當正常生產(chǎn)時，人為設定正常生產(chǎn)模式，由PLC采集管道壓力信號，通過PLC程序中的PID調節(jié)功能輸出信號控制變頻器的運行頻率調節(jié)供水壓力，實現(xiàn)恒壓供水。壓力設定可在PLC上位控制系統(tǒng)中設定，控制精度為0.03 MPa，即在設定壓力上下0.03 MPa范圍內，變頻器不進行調節(jié)。

3.4系統(tǒng)投入運行后的效果

（1）變頻器故障率：調試過程中出現(xiàn)一次一個逆變單元損害，分析原因認為是在安裝過程中將逆變單元中的光電耦合部分碰撞損害造成。更換逆變單元后使用6個月至今未出現(xiàn)故障。

（2）恒壓控制狀態(tài)：手動設定頻率方式僅在調試期間使用，調試完成后，長期使用自動頻率給定方式，系統(tǒng)未出現(xiàn)因產(chǎn)線用水量變化造成的壓力陡升陡降現(xiàn)象。

（3）設備故障率降低：① 使用變頻調速前，每月因壓力高原因造成切斷閥、調節(jié)閥損害一到兩臺，變頻投運后未出現(xiàn)因壓力高原因造成的閥門損壞。② 使用變頻調速后，管道連接處各點漏水現(xiàn)象明顯降低，有效地降低了維護作業(yè)勞動強度。

4 節(jié)能計算

4.1改造前運行功率

改造前，噴淋泵的在噴淋時平均電流約為25.2 A，不噴淋時約為18.5 A，供電電壓基本穩(wěn)定在10.3 kV。初步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，噴淋時間約占總運行時間的90%，從而平均運行電流I工為：I工＝25.2×90% +18.5×（1-90%）＝24.5 A。則根據(jù)電能計算公式（其中電機功率因數(shù)按其額定值計算）：

其中，P工——工頻運行功率，kW；

U——運行電壓，kV；

I工——工頻運行平均電流，A；

0.86——電機額定功率因數(shù)。

4.2改造后節(jié)電評估

將低速運行時頻率設定為15 Hz，噴淋時變頻器運行頻率平均在43 Hz運行，噴淋時供電高壓柜上電流平均值約為17.8 A，不噴淋時電流為4.4 A，根據(jù)噴淋時間占總時間的比得到平均運行電流I變?yōu)椋?/p>

I變＝17.8×90%+ 4.4×（1-90%）＝16.5 A則根據(jù)電能計算公式（其中功率因數(shù)按變頻器的額定值計算）：

其中，P工——工頻運行功率，kW；

U——運行電壓，kV；

I變——變頻運行平均電流，A；

0.97——變頻器額定功率因數(shù)。

從而有節(jié)電功率為：

相當于節(jié)電率η為：

4.3改造后實測節(jié)能效果

根據(jù)電表實測7 d的運行電耗，得到該泵的平均小時電耗為383.4 kW。

在同樣生產(chǎn)狀態(tài)的情況下，以電表實測7 d的運行電耗，得到改造后該泵的平均小時電耗為280.6 kW。得到的實際節(jié)電率為：

實測值和計算值有差別，主要是由于計算中所用公式中電壓和功率因數(shù)值為固定值，實際運行中存在變化，電流取平均也帶有誤差等因素引起的。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，按年度運行時間約8 000 h計算，該套節(jié)能裝置年可節(jié)電：

W＝P工×年運行時間×節(jié)電率

＝383.4×8000×26.8%＝82.2 kWh

由此可知具有非常好的節(jié)電效益，按當?shù)仉妰r估算，實施該項目后三年即可收回投資。

5 結束語

結合工藝控制需求，采用完美無諧波高壓變頻器對某150 T轉爐方坯連鑄機二次噴淋供水泵實施調速節(jié)能控制，系統(tǒng)穩(wěn)定，調節(jié)及時，可靠性高，基本不需要維護，滿足生產(chǎn)的要求，且節(jié)省了大量的電能，具有較好的技術與經(jīng)濟效益。體系的歷史意義和現(xiàn)實意義，并全面做好其主體宣傳工作，才能助力和引領上海電力綠色發(fā)展。

1 公司“1 2 3 4”戰(zhàn)略體系

近兩年來，上海電力提出了“1 2 3 4”戰(zhàn)略體系，即在集團公司率先建成國際“1”流能源企業(yè)為目標，以占領人才和技術制高點為主的“2”點為抓手，以做精上海、做強全國、做優(yōu)海外工程“3”為核心內容，在此3方面基礎上，實現(xiàn)“4”個轉變?yōu)橹蔚膽?zhàn)略體系，這是此百年電力企業(yè)實現(xiàn)脫胎換骨和騰籠換鳥跨越式發(fā)展的動力。也為企業(yè)形象宣傳工作提供了重要抓手。

圍繞公司“1 2 3 4”戰(zhàn)略體系，為開展好企業(yè)宣傳工作提供了豐富和鮮活的素材和題材，其中任何一個方面都可彰顯國有企業(yè)在社會主義市場經(jīng)濟體制下參與國際競爭中表現(xiàn)出來的膽略、遠矚和智慧。但是，上海電力在抓好日常內部宣傳、形成高素質宣傳隊伍和社會媒體保持良好溝通的同時，更加重視對最具有集團公司戰(zhàn)略特色和上海電力戰(zhàn)術特點的宣傳題材，并將特色、特點與中央提倡的、時代要求的主題相結合，及時、全面、準確做好“1 2 3 4”戰(zhàn)略體系的宣傳策劃，務求取得實效，就是近階段公司的重中之重。

2 以科技創(chuàng)新引領上海電力綠色發(fā)展

公司選擇了以科技創(chuàng)新、引領上海綠色發(fā)展為主要內容的開展節(jié)能減排系列宣傳，逐步落實“1 2 3 4”戰(zhàn)略目標。

2.1做好應用先進技術，治理PM 2.5的深度

節(jié)能減排是繼“上大壓小”后又一件對上海電力這樣老的發(fā)電企業(yè)的考驗，也考驗著上海電力在建設美麗中國（上海）、生態(tài)電廠，積極響應國家最嚴格的環(huán)?？刂坪凸姯h(huán)境意識的企業(yè)意志和品質。上海電力積極貫徹“奉獻綠色能源，服務社會公眾”理念，針對公司實際情況，在全公司系統(tǒng)內開展了一場在節(jié)能減排領域的技術革命。為什么說它是“技術革命”？因為上海電力所進行的PM2.5治理、布袋式除塵和濕式除塵技術，均為國內燃煤機組首次開展，并取得了一定成效。因此，上海電力的宣傳主題選擇了“科技創(chuàng)新、引領綠色發(fā)展”，大力宣傳公司在吳涇熱電廠進行的PM2.5治理，外高橋發(fā)電廠進行的布袋式除塵和長興島第二發(fā)電廠進行的濕式除塵等一系列技術創(chuàng)新先行先試。

在策劃主題的同時，高度重視各創(chuàng)新項目的進展程度、數(shù)據(jù)真實和階段性成果，務求實事求是。因此，公司宣傳部門積極聯(lián)系公司科技環(huán)保部、發(fā)電廠有關部門，密切關注工程進展，審慎決定宣傳的深度和廣度，這種審慎和負責的宣傳態(tài)度，受到了參與宣傳的社會媒體的高度認可。

2.2統(tǒng)一認識“以科技創(chuàng)新引領綠色發(fā)展”的現(xiàn)實意義

（1）首先，上海電力是一家歷史悠久的國有發(fā)電企業(yè)，在全國、集團公司范圍內具有一定代表性，都面臨著如何在人多、設備老、環(huán)保責任重大等實際狀況，把以科技創(chuàng)新、引領綠色發(fā)展的經(jīng)驗廣泛宣傳，可讓同類企業(yè)作為參考借鑒。其次，傳統(tǒng)媒體（報紙、電視），尤其是中央媒體、地方主要媒體具有受眾廣、公信力高等優(yōu)勢，同時，傳統(tǒng)媒體中的信息報送可以將企業(yè)在節(jié)能減排過程中取得的經(jīng)驗、遇到的困難廣布于眾，這也是企業(yè)反映實際情況的有效途徑。因此，基于此，上海電力選擇了如新華社、中央電視臺、《人民日報》《經(jīng)濟日報》等中央媒體，《解放日報》《勞動報》等地方主流媒體和《中國電力報》《中國發(fā)電》等行業(yè)權威性的媒體，作為該主體宣傳的主要媒體。

（2）宣傳的方法除采取自行撰稿、投稿的方式發(fā)表之外，還采取媒體記者專訪中電投集團陸啟洲總經(jīng)理，上海電力王運丹董事長等企業(yè)的戰(zhàn)略決策層等，采訪上海電力專業(yè)部門、基層單位負責人和有關專業(yè)技術人士相結合的方法，作專題報道進行宣傳。這種方法夯實主體宣傳的基礎，提升了高度。如2012年年底，有關上海電力在PM2.5等有關方面的節(jié)能減排技術創(chuàng)新在中央電視臺一套、二套和十套節(jié)目上滾動播放，效果甚佳。廣大觀眾對上海電力“以科技創(chuàng)新引領上海綠色發(fā)展”內涵有了直覺的感受。

2.3做好“以科技創(chuàng)新引領上海電力綠色發(fā)展”之宣傳的廣度

2013年以來，分別在《解放日報》《經(jīng)濟日報》《中國電力報》《勞動報》《青年報》和《新華網(wǎng)》發(fā)表多篇記者專訪，如2016年3月8日《人民日報.內部參閱》上發(fā)表的《靠技術創(chuàng)新降污減排，以節(jié)約成本投資技術——對上海電力企業(yè)實施多污染協(xié)同集成治理的調查》，2016年4月6日《解放日報》頭版頭條發(fā)表的《轉變的力量——記上海電力6000多名員工轉崗分流創(chuàng)新發(fā)展》一文，2016年4月16日在《新華網(wǎng)》發(fā)表的《上海電力：以環(huán)保責任為動力 大機組優(yōu)勢凸顯》《燃機電廠科技創(chuàng)新快步走，氮氧化物排放望降至10～15ppm》兩篇記者專訪，2016年5月8日在《經(jīng)濟日報》發(fā)表的“中電投上海電力打造發(fā)電企業(yè)減排新樣本”。

10月30日-11月1日，邀請新華社、中央電視臺等10余家中央媒體組團到公司進行“走進新國企”聯(lián)合采訪，由公司董事長介紹公司“科技創(chuàng)新、多污染協(xié)同集成治情況”；組織媒體記者團到外高橋電廠、長興島電廠、吳涇電廠、漕涇熱電和漕涇電廠實地進行采訪。新華社、中央電視臺、中央人民廣播電臺、人民網(wǎng)、新華網(wǎng)、工人日報、經(jīng)濟日報、21世紀導報、第一財經(jīng)報、中國電力報等知名媒體，發(fā)表了《產(chǎn)業(yè)新機百姓受益》《碧海岸邊白鷺為伴——中電投漕涇發(fā)電有限公司生態(tài)文明建設調查》《上海電力燃煤機組清潔發(fā)電技術處于領先地位》《上海電力公司實施多污染協(xié)同集成治理側記》《中電投上海電力試水PM2.5除塵》《上海電力國內首家實施“多污染物協(xié)同集成治理技術”》《中電投上?；痣娞剿骷杉夹g治理多污染物》《火電廠如何降低PM2.5排放》，這些發(fā)表的報道彰顯了上海電力“以科技創(chuàng)新，引領上海電力綠色發(fā)展”戰(zhàn)略決策。

2.4“以科技創(chuàng)新，引領上海電力綠色發(fā)展”主題宣傳的社會效果

（1）在中央、行業(yè)和地方媒體發(fā)表的報道被鳳凰網(wǎng)、和訊網(wǎng)等主流網(wǎng)站轉載，其傳播范圍廣，影響大，提升了集團公司和上海電力的社會知名度，對上市公司的美譽度提升作用也不可估量。上海電力獲得了2012年度全國電力行業(yè)新聞宣傳先進集體、2012～2013年度中國電力新聞網(wǎng)新聞宣傳先進集體和2014～2015年度上海市最佳企業(yè)報等榮譽。上海電力外部網(wǎng)站及時轉載，在關注“上海電力”股票的股民中產(chǎn)生了積極影響。

（2）在《人民日報.內部參閱》上發(fā)表的專訪，第一次提出了成本和利潤這對矛盾在科技創(chuàng)新上辯與證統(tǒng)一的關系，供其他發(fā)電企業(yè)提供了有益借鑒。在《解放日報》報道的專訪，充分肯定了上海電力在“上大壓小、人員分流”工作中付出的艱辛嘗試，彰顯了上海電力“志不求易，事不避難”的精氣神。

（3）“以科技創(chuàng)新，引領上海電力綠色發(fā)展”的相關宣傳報道，受到了政府部門和集團公司的高度重視。其中，“百年能源國企的創(chuàng)新轉型之路”在上海市發(fā)改委內刊《重要經(jīng)濟信息》發(fā)表；在《中國電力報》刊登《上海電力研發(fā)出國內領先的寬負荷脫硝技術——燃煤鍋爐全負荷氮氧化物達標排放》，并經(jīng)集團公司董事長批示，在全集團公司推廣。

（4）2014年5月22日，由吳涇熱電廠承擔的《燃煤電廠減少PM2.5微顆粒聚合裝置的研究與示范》科研項目順利通過了專家組驗收。

（5）2014年11月20日，漕涇電廠1000 MW 的2號機組煙氣超低排放技改工程竣工。項目投產(chǎn)后，煙塵、硫化物、氮氧化物排放指標水平遠優(yōu)于2014年7月份即將實施的火電廠大氣污染物排放標準，使煙氣污染物排放指標控制在燃機排放標準以內，并達到國家科技支撐項目目標。2015年11月底，漕涇電廠1號機組煙氣超低排放技改工程竣工，各項指標優(yōu)于2號機組。2016年，該公司已經(jīng)將超低排放技改技術推廣到600 MW機組的田集電廠、闞山電廠和300 MW機組的外高橋電廠。這是上海電力開展“以科技創(chuàng)新，引領上海電力綠色發(fā)展”的最好見證。

3 結語

我國經(jīng)濟已進入新常態(tài)，引領經(jīng)濟新常態(tài)、落實發(fā)展新理念，對能源發(fā)展提出了新要求。當前，我國能源發(fā)展處于戰(zhàn)略轉型期，建設清潔低碳安全高效的現(xiàn)代能源體系是新時期的能源發(fā)展戰(zhàn)略。

作為發(fā)電行業(yè)，我們必須一如既往地做好“以科技創(chuàng)新，引領上海電力綠色發(fā)展”的主題宣傳，推進能源清潔高效利用，提高清潔能源比重。應積極推進天然氣高效利用，創(chuàng)新可再生能源利用方式，加快發(fā)展風電和太陽能，積極發(fā)展水電，安全高效發(fā)展核電，同時積極推動地熱能、生物質能發(fā)展。

鄧洪輝：男，39歲，主要從事水處理電氣技術管理。

High Voltage Frequency Converter Application in Billet Caster Secondary Spray Water Supply Pump

Deng Honghui Bao Steel Group Xinjiang Bayi Steel Co.，Ltd Energy Center
Chen Chi Shanghai Bao Steel Energy Saving Environment Protection Technology Co.，Ltd

Abstract：Billet caster secondary spray water supply is unstable， whose pressure has large fluctuation that results in device damage. Using backflow device to regulate pressure that results in surplus water supply transportation and distribution energy waste. The article introduces high voltage frequency converter to control water quantity according to demand， which could save energy. Renovation proves that applying perfect no harmonic high voltage frequency converter to control secondary spray water supply pump speed would save large electric power and have better economic and social benefits due to stable system and timely adjustment.

Key words：High Voltage Frequency Convertion， Energy Saving， Secondary Spray， Water Supply

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.05.007

［作者簡介］