中厚板廠高壓水除磷泵采用變頻調(diào)速后的效果分析

徐維辰

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉軋廠，天津300301）

0 引言

風(fēng)機(jī)、水泵為工業(yè)中應(yīng)用量大、使用面廣的通用性設(shè)備，此類設(shè)備的耗能在各類交流電機(jī)中占了相當(dāng)大的比重。耗能大是其工作特性決定的，設(shè)計(jì)時(shí)一般都是根據(jù)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷而選擇的，但是運(yùn)行過程中為了保護(hù)設(shè)備往往不會使用到。流量控制大多只是靠調(diào)節(jié)閥門來控制，因此會造成很大的浪費(fèi)。因此，為節(jié)約能源，應(yīng)根據(jù)不同工況采用不同的流量調(diào)節(jié)方式，不同的調(diào)節(jié)方式所消耗的電能也不同。目前，在工業(yè)乃至生活中的電器，大都采用對電動機(jī)的變頻調(diào)速。其具有調(diào)速范圍寬、機(jī)械性能好、效率高、易操作等優(yōu)良的調(diào)速控制品質(zhì)，且節(jié)能效果高，因此采用變頻調(diào)速是當(dāng)前較為直接和有效的節(jié)能手段。

對于中厚板高壓水除鱗設(shè)備，如果將除鱗機(jī)原恒速系統(tǒng)改為變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過采用變頻器將電動機(jī)直接進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行來對系統(tǒng)的壓力、流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，將起到很好的節(jié)能效果，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 高壓水除鱗機(jī)簡介

由于金屬的化學(xué)性質(zhì)，在加熱爐內(nèi)加熱的過程中坯料表面會發(fā)生氧化，產(chǎn)生氧化鐵皮。在坯料軋制過程中，氧化鐵皮如果清理不凈，容易在軋制中嵌入成品表面而造成疤痕，這是影響鋼材質(zhì)量的因素之一。為了避免此類隱患，確保成品質(zhì)量，高壓水除鱗為目前金屬軋制中應(yīng)用最廣泛的方法。而高壓水除鱗機(jī)作為熱軋系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，已經(jīng)成為評定熱軋?jiān)O(shè)備水平的重要因素之一。

當(dāng)板坯從加熱爐中出來后，其表面接觸空氣而冷卻，在爐內(nèi)生產(chǎn)的氧化鐵皮會產(chǎn)生裂紋。在高壓水的高壓噴射沖擊下，使鋼坯上附著的氧化鐵皮的表層局部急速冷卻，產(chǎn)生收縮，從而擴(kuò)大氧化鐵皮裂紋，且有翹曲的部分，變形后的氧化鐵皮在高壓水的沖擊之下破碎；高壓水流沖擊到氧化鐵皮與板坯之間后，使沖擊的動壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓力，進(jìn)而產(chǎn)生水楔，使板坯表面的氧化鐵皮脫離；同時(shí)，沖擊到板坯表面的水會在高溫的作用下爆發(fā)性地成為蒸汽，加快氧化鐵皮的剝離；其余水流順勢將剝離后的氧化鐵皮沖走，使鋼坯表面變得清潔，從而達(dá)到除鱗的目的。

2 工作原理

2.1 中厚板除鱗系統(tǒng)工作流程

中板廠高壓水除鱗系統(tǒng)由一重設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)工藝及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的由高壓泵組、蓄能器組、低壓水罐組、預(yù)沖水閥組、自動噴射閥組、配套液壓站、熱金屬檢測儀、集水管以及相應(yīng)閥門組成。而高壓泵組的構(gòu)成包括電機(jī)，液力耦合器，高壓離心泵及相應(yīng)的控制元件、檢測元件、安全組件等。

目前，在除鱗過程中，系統(tǒng)根據(jù)顯示的蓄能器壓力來調(diào)整液力耦合器的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)離心泵的調(diào)速，調(diào)整輸出的壓力和流量，當(dāng)蓄能器壓力上升到需求壓力23 MP時(shí)，離心泵開始降速并低速運(yùn)行，在低速運(yùn)行中，蓄能器壓力降到21 MP時(shí)，離心泵高速運(yùn)行，再次使系統(tǒng)壓力達(dá)到需求壓力。液力耦合器就是安裝在離心泵與電機(jī)間的柔性傳動元件，其機(jī)能就是使電機(jī)在輸出轉(zhuǎn)速固定時(shí)，通過控制內(nèi)部勺管對泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且通過它能使電機(jī)功率更平穩(wěn)地傳給離心泵。

由于電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速一直是恒定的，因此當(dāng)系統(tǒng)在降速的過程中，電機(jī)仍然是高功率輸出，所以在降速過程中就損耗了很大一部分電能。假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)的電機(jī)能夠變頻調(diào)速，這樣在系統(tǒng)蓄能器的升壓過程中，主泵電機(jī)就能依靠變頻器的控制以恒定加速達(dá)到工作所需壓力，并且在降壓過程中，電機(jī)通過變頻器來調(diào)整轉(zhuǎn)速也能達(dá)到節(jié)能目的，系統(tǒng)控制也會更加穩(wěn)定。

2.2 水泵變頻調(diào)速的節(jié)能運(yùn)行原理

交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

式中，N為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f為定子供電頻率，Hz；P為極對數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率。

由上式可知，改變異步電動機(jī)的電源頻率f就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速N。變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、機(jī)械性能好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，是理想的調(diào)速方法。

高壓水泵是典型的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載。變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性就是轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化而變化。水泵電機(jī)的軸功率P與其流量Q，揚(yáng)程H之間的關(guān)系如下：

當(dāng)流量Q1變化到Q2時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為N1，N2，此時(shí)Q、H、P相對于轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

而電動機(jī)的軸功率P和轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系為：

因此：

由上面公式可以看出，水泵的電動機(jī)的軸動力與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，二轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的2次方成正比。

圖1為水泵的揚(yáng)程與流量、轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

由流體力學(xué)得知，流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，水泵設(shè)備采用變頻器調(diào)速后，當(dāng)流量下降80%時(shí)，轉(zhuǎn)速也會下降80%，而功率會下降到額定功率的51.2%，當(dāng)流量下降到60%時(shí)，功率會下降到額定功率的21.6%。上述只是理想狀態(tài)，實(shí)際情況也要考慮到轉(zhuǎn)速降低時(shí)會引起的效率降低，即使這樣節(jié)能效果也很明顯，因此采用轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量是有效的節(jié)能辦法。

在泵的使用過程中，需要在維持恒壓的情況下改變流量。當(dāng)流量下降時(shí)，如不改變泵轉(zhuǎn)速，揚(yáng)程將上升，其功率可以用揚(yáng)程×流量計(jì)算。采用變頻調(diào)速進(jìn)行調(diào)速，流量下降時(shí)，在壓力不變的情況下，若轉(zhuǎn)速下降致額定轉(zhuǎn)速的80%，軸功率將下降致額定功率的51.2%；若是揚(yáng)程恒定，使轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的60%，此時(shí)功率是額定值的21.6%，節(jié)能效果明顯（見表1）。

表1 n2/n1與電耗關(guān)系

3 生產(chǎn)中的實(shí)例效果

參考雙棒材生產(chǎn)線，在工藝要求上對出爐鋼坯質(zhì)量要求也非常嚴(yán)格，對確保高壓水系統(tǒng)中系統(tǒng)壓力及出水壓力更是需要嚴(yán)格監(jiān)控。通過參考交流，系統(tǒng)在改進(jìn)為變頻系統(tǒng)控制后，高壓水系統(tǒng)有了更加優(yōu)良的控制方式。通過改進(jìn)，使系統(tǒng)內(nèi)通過自身調(diào)節(jié)達(dá)到了流量、壓力的閉環(huán)控制，確保了在滿載生產(chǎn)過程中調(diào)速時(shí)間與出水壓力及流量的需求。改進(jìn)后的系統(tǒng)在投入生產(chǎn)線使用多年后，工作狀態(tài)很穩(wěn)定，除鱗效果理想，且故障率低，在確保生產(chǎn)的需求同時(shí)，節(jié)省了人力、物力及大量電能。

4 節(jié)能預(yù)算

當(dāng)系統(tǒng)電機(jī)改為變頻調(diào)速后，通過電機(jī)自身的調(diào)速改變泵的轉(zhuǎn)速，與現(xiàn)在采用的閥門-耦合器調(diào)控相比，在滿足生產(chǎn)需求的前提下，不但提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，還節(jié)約了電能，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

以下對除鱗泵電機(jī)改用變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)速后與現(xiàn)在使用工頻系統(tǒng)電機(jī)的耗能進(jìn)行計(jì)算并對比，通過數(shù)據(jù)說明產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 高壓水除鱗主泵電機(jī)在工頻恒速時(shí)所消耗電能

目前使用主泵電機(jī)型號為YKS630-2的3相異步電動機(jī)，其參數(shù)為功率2 800 kW，電流183.4 A，電壓 10 kV，50 Hz，轉(zhuǎn)速 2 950 r/min。

按每年運(yùn)行300天（除固定年修之外），每天3班連續(xù)生產(chǎn)，并且除去平均每天停車檢修時(shí)間共計(jì)2 h計(jì)算，每年消耗電能為：

2 800 kW×（24-2）× 300=18 480 000 kW·h

4.2 當(dāng)除鱗泵主電機(jī)改用變頻調(diào)速后所消耗的電能

由2.2得知，水泵的電動機(jī)的軸動力與轉(zhuǎn)速的3次方成正比：

已知主泵轉(zhuǎn)速，在快節(jié)奏生產(chǎn)時(shí)其增壓與降壓時(shí)間比為4∶1，通過觀察取降速時(shí)轉(zhuǎn)速為升速過程的1/2來計(jì)算。

降速過程中除鱗主泵的運(yùn)行功率：P=2 800[1/2]3=350 kW

同樣按全年運(yùn)行300天（除固定年修之外），每天連續(xù)生產(chǎn)，并且除去平均每天停車檢修或等溫時(shí)間共計(jì)2h計(jì)算，每年消耗電能為：

采用變頻調(diào)速后預(yù)估每年可以節(jié)約電能：

按照電0.8元／kW·h，通過計(jì)算，一年可以節(jié)約電費(fèi)240萬元。

由上述計(jì)算分析可以看出，當(dāng)高壓水主泵電機(jī)采用變頻調(diào)速后，對比目前在用的工頻控制比較下，節(jié)能效果十分明顯。變頻系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于變頻電機(jī)的使用轉(zhuǎn)速會低于額定速度而且速穩(wěn)定性好，可以減少設(shè)備震動產(chǎn)生的沖擊，進(jìn)而降低設(shè)備故障率及備件費(fèi)用，減少設(shè)備維護(hù)工作量，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前鋼材市場的嚴(yán)峻形勢，應(yīng)立足于設(shè)備本身實(shí)際情況，探究節(jié)約成本的路徑，通過本文得到以下結(jié)論：證實(shí)了變頻系統(tǒng)的節(jié)能性，通過計(jì)算能看出節(jié)能效果明顯，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益；變頻器直接控制電機(jī)，進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動泵的工作，從而提高了傳動效率，使設(shè)備更穩(wěn)定；可以明顯改善工況，避免閥門調(diào)節(jié)，使操作更簡便，控制精度更高，響應(yīng)速度快，讓系統(tǒng)工作更平穩(wěn)；設(shè)備穩(wěn)定后能夠延長設(shè)備壽命，為其他耗電設(shè)備的改進(jìn)方向提供的參考價(jià)值。