冷軋不銹鋼軋機油霧系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

邵 超，張志軍，秦 飛

（寧波寶新不銹鋼有限公司軋鋼智造中心，浙江寧波 315807）

0 引言

對于冷軋不銹鋼單機架軋機，由于機組生產(chǎn)間歇性的特點，在機組上下卷操作、更換工作輥、規(guī)格切換、設(shè)備異常處理、帶鋼表面質(zhì)量檢查、檢修等存在大量的輔助時間，此時油霧風(fēng)機系統(tǒng)仍然在額定轉(zhuǎn)速下運行，這樣會造成電能的浪費。隨著國家節(jié)能減碳的要求，不銹鋼行業(yè)有必要通過技術(shù)革新，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能降耗、綠色發(fā)展。通過油霧系統(tǒng)風(fēng)機節(jié)能改造，可以將生產(chǎn)過程中輔助時間段油霧風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速降低，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

1 油霧處理系統(tǒng)工藝介紹

在軋制冷軋不銹鋼板帶生產(chǎn)過程中，需對軋輥、帶鋼表面進行冷卻和潤滑，在生產(chǎn)作業(yè)中會噴淋大量的軋制油對帶鋼表面進行冷卻，從而在軋機牌坊區(qū)域產(chǎn)生大量的油霧氣體。此類油霧的成份主要有3 個部分組成：①因噴射沖擊產(chǎn)生的干凈的霧狀冷卻液油霧，顆粒范圍在3～20 μm，所占比例較大，占總油霧量的96 %以上；②軋制過程中產(chǎn)生的熱量，將油霧加熱導(dǎo)致蒸發(fā)或氣化而產(chǎn)生的油霧，顆粒范圍在0.01 ～5 μm；③軋制時噴射產(chǎn)生的含金屬粉塵的油霧，占油霧總量的很小一部分。油霧溫度約80 ℃，濃度約為100 ～300 mg/m3，它會造成環(huán)境污染并嚴(yán)重影響操作人員的身體健康。

因此不銹鋼軋制產(chǎn)生的油霧必須通過多級凈化裝置處理，清理油霧廢氣并加以回收利用，達到保護環(huán)境及人員健康的目的。而油霧廢氣處理裝置是通過油霧風(fēng)機的作用，收集廢氣進入凈化器內(nèi)的均流室，過風(fēng)面積加大，氣流速度急劇下降，再依次進入各級過濾裝置，逐級濾除顆粒及油霧，經(jīng)過濾網(wǎng)捕集的油霧在過濾網(wǎng)上聚積后，回流到集油槽中以供回收再利用，油霧收集和處理系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 油霧收集和處理系統(tǒng)

2 油霧風(fēng)機節(jié)能原理

軋機油霧產(chǎn)生量同軋機產(chǎn)生的熱量（與壓下量、軋制速度等因素有關(guān)）、軋制油溫度、牌坊內(nèi)軋制油噴射量等因素有關(guān)，尤其是軋制速度高時，帶鋼上產(chǎn)生的熱量就越多，油霧濃度就會大幅增加，而在換輥、上下卷時，牌坊內(nèi)不噴射軋制油時，油霧就會很少，因此油霧風(fēng)機無需長期保持高轉(zhuǎn)速工作，可以根據(jù)不同工況來設(shè)定不同的油霧風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速，同時又能滿足軋機生產(chǎn)運行的要求。

風(fēng)機風(fēng)量和轉(zhuǎn)速成正比：

式（1）中，Q1、Q2分別為轉(zhuǎn)速n1、n2時對應(yīng)的風(fēng)量，風(fēng)機所消耗的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比：

式（2）中，P1、P2分別為轉(zhuǎn)速n1、n2對應(yīng)消耗的功率。

從式（1）、式（2）可知，如果根據(jù)油霧量的多少，進行改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速的同時，又可以改變風(fēng)機電機運行功率，實現(xiàn)改變風(fēng)機的電耗，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

3 原油霧風(fēng)機控制系統(tǒng)

寶新公司SUNDWIG 二十輥單機架軋機油霧風(fēng)機由AIGNER制造，電機使用的是VEM 公司的90 kW 工頻電機，采用星三角啟動控制方式，工頻運行。在實際使用中發(fā)現(xiàn)電機實際負(fù)荷接近設(shè)計值，因此電機長期在接近100%的負(fù)荷區(qū)域工作，造成電機運行時的溫升很高，尤其是夏季，電機殼體溫度超過80 ℃，因此設(shè)備穩(wěn)定性低，每年要對電機進行維護保養(yǎng)，但是還是經(jīng)常出現(xiàn)電機損壞的設(shè)備故障，原油霧風(fēng)機控制方式，原來油霧風(fēng)機主回路如圖2a）所示。

圖2 油霧風(fēng)機主回路

原油霧風(fēng)機控制系統(tǒng)存在的缺點：①油霧風(fēng)機電機采用星三角啟動方式，電機啟動轉(zhuǎn)矩大，需要從電網(wǎng)吸收電機額定電流的4 倍以上，啟動電流大，會造成電網(wǎng)電壓和設(shè)備電壓波動，同時增加線損且容易造成電機、交流接觸器的損壞；②油霧風(fēng)機電機長期在額定轉(zhuǎn)速下，接近滿負(fù)荷情況運行，會減少電機軸承、電機線圈繞組的使用壽命，增加維護成本；③油霧風(fēng)機啟動電流大，啟動噪聲很大，影響操作人員身體健康；④油霧風(fēng)機所有工況都是額定轉(zhuǎn)速運行，造成電能浪費。

4 油霧風(fēng)機控制系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 變頻器調(diào)速的特點

變頻器的核心功能是調(diào)速，其次是節(jié)能。變頻器節(jié)能需要符合3 個條件：①大功率并且為風(fēng)機、泵類負(fù)載；②裝置本身具有節(jié)電功能；③長期連續(xù)運行。

（1）變頻節(jié)能。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設(shè)計動力時都會有一定的裕量，使電機不能滿負(fù)荷運行。除了滿足動力驅(qū)動的要求之外，過剩的力增加了有功功率的消耗，導(dǎo)致電能的浪費。

（2）動態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)能?？焖龠m應(yīng)負(fù)荷變化，提供最有效的電壓。變頻器在軟件中具有5000 次/s 以上的測量和控制輸出功能，使電機的輸出始終保持高效運行。

（3）V/F 曲線可通過變頻功能自動調(diào)整。在保證電機輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，V/F 曲線可自動調(diào)整。電機輸出扭矩減小，輸入電流減小，達到節(jié)能效果。

（4）變頻啟動節(jié)能。當(dāng)電機全壓啟動時，由于電機啟動轉(zhuǎn)矩大，需要從電網(wǎng)吸收電機額定電流的7 倍以上[1]，啟動電流大，電網(wǎng)電壓和設(shè)備電壓波動大，會增加線損和設(shè)備的損壞。使用變頻軟啟動后，可以減小啟動電流，減少啟動電流對電網(wǎng)的影響，節(jié)省電費，并減少啟動的慣性，延長設(shè)備的使用壽命。

（5）提高功率因數(shù)，節(jié)約能源。電機通過定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的電磁作用產(chǎn)生扭矩，繞組具有電感效應(yīng)。對于電網(wǎng)來說，阻抗特性是感應(yīng)的，電機運行時吸收大量的無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)過低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其采用交—直—交的轉(zhuǎn)換方式，經(jīng)整流濾波后，負(fù)荷特性發(fā)生變化。變頻器具有抗電網(wǎng)阻抗特性，功率因數(shù)高，降低了無功損耗。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，大功率晶體管技術(shù)的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路和微機技術(shù)的突飛猛進，變頻調(diào)速在生產(chǎn)作業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用[2]。變頻調(diào)速在變頻范圍、動態(tài)響應(yīng)、工作效率、調(diào)整精度、功率因數(shù)、輸出特性保護功能及可靠性方面，都達到了較為完美的程度。變頻調(diào)速的原理是根據(jù)異步電機的轉(zhuǎn)速[3]：

式中：n 為轉(zhuǎn)速，f 為電源頻率，p 為極對數(shù)，s 為電機的轉(zhuǎn)差率。從上式可知，改變供電頻率f，即可改變電機的轉(zhuǎn)速。

4.2 變頻調(diào)速控制原理

變頻器采用開環(huán)矢量控制方式，根據(jù)電機銘牌數(shù)據(jù)通過電機學(xué)習(xí)測得電機內(nèi)部參數(shù)并建立模型，通過模型對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行精確控制，變頻油霧風(fēng)機控制方式如圖2b）所示、變頻器功率模塊如圖3 所示[4]。

圖3 變頻器功率模塊

（1）手動控制：通過觸摸屏上的按鈕控制變頻器的運行和停止，通過觸摸屏上的頻率設(shè)定框設(shè)定變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。

（2）自動控制：通過遠程PLC 控制變頻器的運行和停止。通過遠程PLC 信號實現(xiàn)高速、低速的選擇。

（3）向遠程提供變頻器的狀態(tài)信號變頻器“Ready”“Run”“Fault”。

（4）在觸摸屏上顯示變頻器的狀態(tài)信息，電機運行、停止、故障信號。

（5）向遠程提供4～20 mA 的變頻器轉(zhuǎn)速信號和電機電流信號。

（6）由變頻柜外部的緊急停車信號控制變頻器緊急停車。

（7）通過觸摸屏上的復(fù)位按鈕對變頻器故障進行復(fù)位。

變頻器與原MCC 柜和PLC 的信號交換如圖4 所示，變頻器輸入、輸出信號如圖5 所示。

圖4 變頻器與原MCC 柜和PLC 信號交換

圖5 變頻器輸入、輸出信號

5 應(yīng)用效果

5.1 改造后的運行情況

油霧風(fēng)機經(jīng)變頻改造后，高速段和低速段分段控制實時運行情況如圖6 所示。

圖6 改造后運行功率

5.2 改造后的效果情況

（1）對比改造前原電機消耗電量，額定功率90 kW（運行功率約85 kW），24 h×365 天滿頻運行。①改造前年消耗電能=85 kW×24 h×365×95 %（作業(yè)率）=707370 kW·h；②改造后的消耗電量（按公司軋機常規(guī)操作每班（480 min）上下卷6次，每次上下卷輔助時間為15 min 計算）。改造后年消耗電能=［（15 min/60 min/h）×1.1 kW×6 次+（390 min/60 min/h）×77.9 kW］/班×3 班×365 天×95 %（作業(yè)率）=528447 kW·h；③油霧風(fēng)機經(jīng)節(jié)能改造后可實現(xiàn)年節(jié)約電量=744600-415519 =178923 kW·h

（2）改造后啟動情況。經(jīng)過油霧風(fēng)機變頻改造后，油霧風(fēng)機電機啟動時電流穩(wěn)步上升到設(shè)定最低轉(zhuǎn)速電流，沒有出現(xiàn)原啟動時電流達到700 A 的情況，減少了電機啟動電流大對電機設(shè)備、電纜的損害，降低了風(fēng)機啟動噪聲。

（3）改造后設(shè)備運行情況情況。油霧風(fēng)機變頻控制，電機溫度有明顯改善，正常運行電機殼體溫度50 ℃左右，不再對星三角啟動的接觸器進行周期檢查維護，每年節(jié)約維護費用約1 萬元，設(shè)備運行穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

油霧風(fēng)機節(jié)能技術(shù)，通過在實踐中的探索，還可以再進一步擴展節(jié)能思路，如通過油霧排放的壓力，機組軋制的速度等進行反饋，進一步分段控制，尋找節(jié)能優(yōu)化空間，實現(xiàn)高效率運行。冷軋不銹鋼單機架軋機油霧風(fēng)機節(jié)能的實踐，設(shè)備人員要充分利用好先進的技術(shù)手段，深入現(xiàn)場了解現(xiàn)場工藝情況、設(shè)備運行狀態(tài)，對管理的設(shè)備進行優(yōu)化改進，節(jié)能降耗，穩(wěn)定設(shè)備狀態(tài)。