淺談豎井鑄造中恒壓供水系統(tǒng)調(diào)試遇到的問題和改進方法

王飛 仲偉兵

摘要：介紹了基于PLC控制的變頻恒壓供水自平衡系統(tǒng)在豎井鑄造中的應(yīng)用，闡述了系統(tǒng)調(diào)試生產(chǎn)中遇到的一些問題和改進方法，可供同類設(shè)備調(diào)試時借鑒。該控制系統(tǒng)緊密結(jié)合生產(chǎn)工藝，保證了控制精度和運行可靠性。

關(guān)鍵詞：恒壓供水;水錘現(xiàn)象;兩泵搶水;氣阻現(xiàn)象

0? ? 引言

豎井鑄造設(shè)備在熔鑄鋁行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備、鑄造系統(tǒng)的好壞對鑄棒品質(zhì)起著決定性的作用。鑄造冷卻水系統(tǒng)如果波動不穩(wěn)，將會影響鑄棒的冷卻效果，輕則在鑄棒表面產(chǎn)生氫氧化鋁[Al（OH）3]和三氧化二鋁（Al2O3）氧化層，重則造成鑄棒的粗晶和偏析層增大，從而導(dǎo)致鑄造失敗，所以保證冷卻水流量的穩(wěn)定性顯得尤其重要。筆者就在鑄造調(diào)試生產(chǎn)中遇到的恒壓供水系統(tǒng)問題及其改進措施加以分析總結(jié)，以便對設(shè)備進行優(yōu)化應(yīng)用。

1? ? 恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）我公司使用的鑄井冷卻水系統(tǒng)選用2臺450 m3/h，揚程30 m，最高供水壓力0.4 MPa，臥式直連離心水泵并聯(lián)組合，通過架空明裝管道保證冷卻水供應(yīng)，泵房距鑄造井管路距離約90 m，管裝高度9 m。其控制系統(tǒng)選用的是西門子品牌S7-200 PLC控制的ABB510系列變頻器與壓力變送器共同構(gòu)成的PID恒壓控制自平衡系統(tǒng)，如圖1所示。

（2）其工作原理是在鑄造生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)的模盤號和牌號不同，選用不同的工藝配方，對應(yīng)不同的水流量。

1）在鑄造小截面棒料時，僅開一臺泵就能滿足生產(chǎn)工藝對冷卻水的要求，程序自動由變頻器控制1#水泵進行恒壓供水，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的管道運行壓力，經(jīng)PID運算由PLC輸出4～20 mA信號自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。

2）當(dāng)鑄造大截面棒料用水量增加時，1#泵變頻器會自動增大輸出頻率，若頻率在0～50 Hz變化就能滿足生產(chǎn)需求，則使用1#泵進行恒壓供水。若1#泵頻率已達50 Hz，但是仍不能滿足使用需求，則將1#泵自動切換到工頻運行，同時將變頻器自動切換到2#泵，由2#泵補充進行恒壓供水。

3）當(dāng)需求流量降低時，由PLC進行PID運算輸出4～20 mA信號來調(diào)節(jié)降低變頻器運行頻率，當(dāng)變頻器運行頻率降低至切換值時，供水壓力仍大于設(shè)定值，則PLC自動給1#泵停止發(fā)送信號，同時迅速提高2#泵運轉(zhuǎn)頻率，并進行恒壓供水控制。

2? ? 調(diào)試生產(chǎn)中遇到的問題

本工程設(shè)計中，從設(shè)計思想和目標(biāo)上分析，恒壓供水理論無論是在工藝需求，還是在節(jié)能環(huán)保方面都適合當(dāng)下豎井鑄造生產(chǎn)工藝，但隨著恒壓供水系統(tǒng)安裝調(diào)試的深入，一系列的調(diào)試問題顯現(xiàn)了出來，具體分析如下：

2.1? ? 水泵出水流量較額定流量不足

當(dāng)鑄造系統(tǒng)設(shè)置流量330 m3/h（合5 500 L/min）時，單臺泵出水流量只有250 m3/h，未達到單臺泵設(shè)計要求，與設(shè)計流量450 m3/h相差較大，需啟動2#泵同時供水方可滿足工藝需求，造成較大的能耗浪費。如圖2所示，閥門、過濾器造成漏氣和水阻。

2.2? ? 兩泵搶水

當(dāng)兩臺泵一臺工頻一臺變頻同時運行時，因兩臺泵出口設(shè)置單向閥，其開啟動作受前后壓差影響，工頻泵上壓快于變頻泵，且轉(zhuǎn)速高于變頻泵，導(dǎo)致變頻泵單向閥無法打開，進而造成水泵憋壓，產(chǎn)生過熱及氣蝕問題。如圖3所示，兩泵出口單向閥相同，但兩泵出水壓力不同，造成搶水現(xiàn)象。

2.3? ? 水錘現(xiàn)象

（1）當(dāng)鑄造進入預(yù)檢查期，遠程信號會啟動水泵，但此時鑄造系統(tǒng)進水閥并未打開，管道中已形成空氣壓力，水的急劇流動，沖擊鑄造系統(tǒng)管路和閥門，形成水錘和氣錘現(xiàn)象，導(dǎo)致管路漏水。

（2）當(dāng)系統(tǒng)停泵時，鑄造冷卻水進口閥門又未及時關(guān)閉，停泵集聚斷流造成在泵出口單向閥附近形成水錘現(xiàn)象。經(jīng)測量瞬時壓力達到0.8 MPa，造成管路閥門、法蘭間橡膠墊片爆出漏水。

2.4? ? 氣阻現(xiàn)象

我公司鑄造冷卻水管路為架空安裝，架空高度9 m，管線長度約90 m，當(dāng)冷卻泵加壓時，由于空氣的密度比水小，空氣集聚在管道中高點無法排出形成氣阻，從而降低管道水流截面，導(dǎo)致鑄造水流量不足和波動異常。

3? ? 改進方案

3.1? 水泵出水不足的處理方法

筆者調(diào)查了冷卻水系統(tǒng)的配型和管路走向等因素，發(fā)現(xiàn)水泵進水端連接點較多，管道過濾器目數(shù)較細(xì)是造成水泵出水不足的主要原因。經(jīng)團隊研究，得出如下改進方案：

（1）取消進水端管道過濾器：

1）本身水池上塔循環(huán)系統(tǒng)已含過濾器，可有效阻止大顆粒雜質(zhì);

2）我公司冷卻水池為全密封玻磚貼面水池，并定期清理;

3）鑄造系統(tǒng)本身自帶自潔式反沖洗過濾器，可有效阻止泥沙和懸浮物。

（2）取消引水罐進水閥門，以排除漏氣和閥阻。

改進后如圖4所示。

以上改進完成后，單泵出水流量可達420 m3/h（合7 000 L/min），滿足鑄造工藝用水要求，避免能源浪費。

3.2? ? 兩泵搶水的處理方法

兩泵搶水問題發(fā)生后，筆者通過現(xiàn)場調(diào)查，查閱文獻資料發(fā)現(xiàn)，解決母管供水系統(tǒng)中兩泵搶水問題也是困擾工程設(shè)備人員的一大難題，其解決方法是選用凝泵、給泵、凝補泵、定冷泵等調(diào)節(jié)方式。但筆者認(rèn)為，對于特定的單一供水系統(tǒng)，降低變頻泵單向閥的開啟壓力，即增加彈簧的舒張力可避免兩泵搶水現(xiàn)象，并驗證實施。

3.3? ? 水錘的處理方法

筆者通過查閱資料，總結(jié)分析管路結(jié)構(gòu)得出，我公司鑄造水系統(tǒng)水錘現(xiàn)象是啟泵和停泵瞬間水流的急劇流動造成的。其解決方法如下：

（1）當(dāng)鑄造結(jié)束停泵時，自動控制方面先關(guān)閉鑄造冷卻水閥再停泵，避免因水?dāng)嗔鞴艿肋M氣造成的反向水錘;

（2）當(dāng)鑄造開始啟泵時，先微開鑄造水閥門，使得管道中氣體得以排空，避免水流急劇變化慣性推動造成的水錘;

（3）延長變頻器的加速和減速時間，避免鑄造初期和結(jié)束期水流的急劇變化。

3.4? ? 氣阻的處理方法

形成氣阻的原因是空氣在管路最高點形成集聚且無法排出，處理方法是在最高點設(shè)置排氣孔，當(dāng)水泵開啟時自動打開排氣孔排氣。如圖5所示，在管道最高點拐角處設(shè)置排氣孔。

4? ? 結(jié)語

機電安裝調(diào)試是發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程，完美的設(shè)計方案也可能因為安裝、控制的不同，造成不同的結(jié)果。本次調(diào)試平衡解決了恒壓供水和恒流量問題，解決了水錘、氣阻、兩泵搶水等未曾預(yù)見的問題，同時提高了水泵的工作效率，節(jié)約了能源。

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收稿日期：2020-12-25

作者簡介：王飛（1985—），男，江蘇沭陽人，機械工程師，研究方向：機電維修與項目管理。