北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 供稿
一、軋鋼工藝水系統(tǒng)及加熱爐簡介
軋鋼廠生產(chǎn)用水均采用循環(huán)用水系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)共分為三個部分，即加熱爐、凈環(huán)、濁環(huán)水系統(tǒng)。從工藝上講軋鋼工序整個循環(huán)水系統(tǒng)按用水后水質(zhì)的情況可分為凈環(huán)系統(tǒng)和濁環(huán)系統(tǒng)兩大部分。加熱爐和設(shè)備的冷卻方式為間接冷卻,使用后的水僅水溫升高，水質(zhì)未被污染，屬凈環(huán)系統(tǒng)；軋機的冷卻方式為直接冷卻,使用后的水不僅水溫升高，水質(zhì)已被氧化鐵皮及油類等污染，屬濁環(huán)系統(tǒng)，其中沖洗氧化鐵皮用水屬該系統(tǒng)中的小循環(huán)系統(tǒng)，該用水僅對水壓有要求。
圖1 軋鋼工序水循環(huán)流程示意圖
軋鋼濁環(huán)水系統(tǒng)用水量是變量，而水處理供水泵為定量泵，全部依靠持壓泄壓閥泄水來維持系統(tǒng)穩(wěn)定，造成能源浪費。因此需對軋鋼水處理作業(yè)區(qū)濁環(huán)水泵部分電機進行變頻改造，這樣既節(jié)水又節(jié)能。
陜西龍門鋼鐵集團軋鋼廠濁環(huán)系統(tǒng)及加熱爐系統(tǒng)中的高壓風(fēng)機、水泵，其輸出功率不能隨生產(chǎn)負(fù)荷變化而變化，只有通過改變風(fēng)門、檔板、閥門的開度來調(diào)整，這導(dǎo)致負(fù)載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節(jié)流損失中。
為了提高棒材水系統(tǒng)與軋鋼加熱爐系統(tǒng)的生產(chǎn)效率、降低能耗以及系統(tǒng)的綜合可靠性，旋流池水系統(tǒng)棒材廠、線材廠高壓水泵與軋鋼加熱爐空煙風(fēng)機、煤煙風(fēng)機的驅(qū)動系統(tǒng)擬采用全數(shù)字交流高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)實施控制。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是直接串聯(lián)于高壓電源與高壓電機之間的變頻調(diào)速設(shè)備，以其現(xiàn)場改造、安裝方便以及安全、良好的運行性能正快速的替代其它調(diào)速產(chǎn)品，全面的進入到冶金行業(yè)的節(jié)能改造項目中。利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的目的是改變設(shè)備的運行速度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場工況所需風(fēng)壓、風(fēng)量、水泵流量的大小，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，既滿足了生產(chǎn)要求，又達到了節(jié)約電能，并且減少了因調(diào)節(jié)擋板、閥門而造成擋板和管道的磨損以及因經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失，同時使維護量大大降低，為鋼鐵企業(yè)帶來了可觀的效益，切實響應(yīng)了國家節(jié)能降耗的號召。
二、變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用方案
本次改造主要涉及以下幾方面：系統(tǒng)主回路控制方案、變頻器系統(tǒng)控制方案、現(xiàn)場安裝、及變頻器的散熱方案。相關(guān)系統(tǒng)介紹如下：
2.1系統(tǒng)主回路控制方案
針對棒材廠旋流池水系統(tǒng)高壓水泵、凈環(huán)水泵與棒材加熱爐空煙風(fēng)機、煤煙風(fēng)機、高線加熱爐煤煙風(fēng)機、空煙風(fēng)機、助燃風(fēng)機上（共八臺高壓變頻器），采用主回路如下：
圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路
注：QF1、M為現(xiàn)場原有設(shè)備。由于負(fù)載都有備用所以采用一拖一不帶旁路控制系統(tǒng)，在滿足可靠性的同時減少了投資成本。
圖2中TF為高壓變頻器，采用利德華福品牌完美無諧波系列高壓變頻器。該系列變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。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附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt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，現(xiàn)場不需要更換電機。
2.2變頻器控制系統(tǒng)
該控制系統(tǒng)主要用于控制濁環(huán)泵房9臺水泵和旋流井中2臺水泵、及相關(guān)管道壓力、流量、液位等的遠程/就地的自動和手動控制功能。
2.2.1控制系統(tǒng)架構(gòu)圖
圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2.2控制系統(tǒng)簡介
該控制系統(tǒng)主要由施耐德PLC實現(xiàn)所有水泵、壓力、流量、液位等實時數(shù)據(jù)的采集和控制等功能，并對變頻器進行實時監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。所有控制功能可以通過遠程或就地方式實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的自動或手動控制。PLC采集到的所有數(shù)據(jù)又可以通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)缴衔槐O(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)顯示、記錄、管理、打印、控制和參數(shù)調(diào)節(jié)功能。
整個控制系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成：現(xiàn)場控制層和監(jiān)控層。
現(xiàn)場控制層主要用于連接PLC和變頻器設(shè)備，用于實現(xiàn)PLC對變頻器實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和對變頻器的控制和調(diào)節(jié)功能。
現(xiàn)場控制層主要由兩種方式連接PLC和變頻器設(shè)備：Profibus DP現(xiàn)場總線和硬接線方式。
監(jiān)控層主要通過Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接PLC和濁環(huán)泵房、軋線主控室的監(jiān)控計算機，用于實現(xiàn)監(jiān)控計算機對現(xiàn)場所有設(shè)備及儀表數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)視、記錄、管理、報警；對所有設(shè)備的實時遠程自動控制、調(diào)節(jié)等功能。
由于濁環(huán)泵房和軋線主控室距離較遠，因此，采用多模光纖以太網(wǎng)交換機設(shè)備用于連接所有監(jiān)控計算機。
2.2.3控制模式
為了保證控制系統(tǒng)的正常、可靠運行，控制系統(tǒng)采用多種控制模式實現(xiàn)對現(xiàn)場水泵的實時監(jiān)視和控制功能：
l遠程自動：通過上位計算機實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集和自動控制、調(diào)節(jié)等功能；
l遠程手動：通過上位計算機實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集和手動控制、調(diào)節(jié)等功能；
l變頻器手動：變頻器上提供了操作面板可以實現(xiàn)對水泵的現(xiàn)場手動控制、調(diào)節(jié)等功能；
l就地手動：通過變頻器控制柜的手動控制按鈕可以實現(xiàn)對水泵的現(xiàn)場手動控制、調(diào)節(jié)等功能；
2.2.4profibus DP控制方式
Profibus DP現(xiàn)場總線：PLC和變頻器之間采用Profibus DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)交換功能。該方式可以通過現(xiàn)場總線將變頻器的所有相關(guān)狀態(tài)信息實時傳輸?shù)絇LC和上位監(jiān)控計算機，并將上位計算機或PLC下發(fā)的控制和調(diào)節(jié)指令實時傳送到變頻器，實現(xiàn)對現(xiàn)場變頻器的所有控制功能。
利德華福變頻器兼容實現(xiàn)Profibus DP通訊協(xié)議，只要將Profibus DP通訊電纜接到變頻器的PLC通訊模塊接口上通過在變頻器人機界面中簡單的參數(shù)設(shè)置便可以實現(xiàn)正常通訊。
2.2.5硬接線控制方式
硬接線方式：該方式是ProfibusDP現(xiàn)場總線的備用方式，如果Profibus DP總線發(fā)生故障時，依然可以通過硬接線方式實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的所有監(jiān)視和控制功能。
高壓變頻器和現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)硬接線連接的接口如下：
A、變頻器提供的開關(guān)量輸出8路：
(1)變頻器待機狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。
(2)變頻器運行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運行。
(3)變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠程控制；節(jié)點斷開表示變頻器控制權(quán)為本地變頻器控制。
(4)變頻器輕故障指示：表示變頻器產(chǎn)生報警信號。
(5)變頻器重故障指示：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關(guān)斷輸出切斷高壓。
(6)高壓緊急分?jǐn)啵鹤冾l器出現(xiàn)重故障時，自動分?jǐn)噙M線高壓開關(guān)。
(7)高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)，允許上高壓。
(8)電機在工頻旁路：表示電動機處于工頻旁路狀態(tài)。
以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。
B、DCS提供給變頻器的開關(guān)量有4路：
(1)啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。
(2)停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。
(3)高壓就緒：干接點，高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r，輔助節(jié)點打開，變頻器輸入已帶電，變頻器可以啟動。
(4)高壓開關(guān)分閘信號：高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r，輔助節(jié)點閉合；1個。
C、變頻器提供的模擬量2路：
(1)變頻器輸出轉(zhuǎn)速
(2)變頻器電機電流
變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負(fù)載能力均為250Ω。
D、DCS提供給變頻器的模擬量1路：
(1)變頻器轉(zhuǎn)速給定值
現(xiàn)場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應(yīng)轉(zhuǎn)速低高限，須呈線性關(guān)系。
2.3柜體安裝
(1)變頻器設(shè)備安裝時，應(yīng)考慮通風(fēng)散熱及操作空間的需要，整套裝置背面離墻距離不得小于1000mm，裝置頂部與屋頂空間距離不得小于500mm，裝置正面離墻距離不得小于2000mm，裝置側(cè)面離墻必須保留不小于1000 mm的距離，方便安裝調(diào)試及維護人員通過。
(2)所有柜體應(yīng)牢固安裝于基座之上，并和廠房大地可靠連接。接地端子PE也應(yīng)接至廠房大地。各柜體之間應(yīng)相互連接成為一個整體。
(3)高壓變頻器采用一拖一系統(tǒng)，
無旁路柜，外形尺寸完全相同，如下圖：
圖4 變頻器安裝尺寸圖
2.4散熱方案
2.4.1散熱方案的對比介紹
高壓變頻器屬于大型電子設(shè)備，在運行過程中本身的能量消耗較大，變頻器消耗的能量全部轉(zhuǎn)換為熱量，通過變頻器的冷卻風(fēng)機將熱量帶到變頻器本體之外，由于這部分熱量絕對值較大，一般達到幾十kW左右，如果不采取措施妥善處理，可能會使變頻器運行環(huán)境溫度過高，影響變頻器的正常運行。
目前常見的解決辦法主要有三個：
1）風(fēng)道開放式冷卻
安裝風(fēng)罩收集變頻器排出的熱風(fēng)，通過風(fēng)道將熱風(fēng)直接排放到變頻器安裝的環(huán)境以外，優(yōu)點是施工方便，造價低；缺點運行穩(wěn)定性依賴于當(dāng)?shù)丨h(huán)境；
2）空調(diào)式密閉冷卻
在安裝變頻器的房間內(nèi)安裝空調(diào)，利用空調(diào)將環(huán)境溫度降下來，優(yōu)點是施工方便，維護量低，使變頻器的運行環(huán)境良好；缺點是前期費用投入較高，長期運行耗能高；
3）空-水冷密閉冷卻
安裝空水冷卻器，其作用與空調(diào)類似，優(yōu)點是可以利用現(xiàn)場已有的資源（現(xiàn)場的冷卻水），設(shè)備運營成本是同等熱交換功率空調(diào)的1/3-1/4，運行維護費用低，使變頻器的運行環(huán)境良好；缺點是前期費用投入高，安裝調(diào)試相對復(fù)雜。
綜合比較以上三種方案，應(yīng)該說各有其優(yōu)缺點，用戶一般會根據(jù)自身的特點和要求選擇最適合自身條件的方案來實行。
2.4.2符合現(xiàn)場實際情況的高效散熱方案
按照高壓變頻器運行效率96％進行計算：變頻器的最大散熱功率為：變頻額定功率x4％。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，綜合冷卻系統(tǒng)的投資和運營成本，現(xiàn)提出下面的冷卻方案：
1）風(fēng)道開放式冷卻
(1)冷卻過程
冷風(fēng)經(jīng)變頻室入口濾網(wǎng)進入變頻器，經(jīng)過對機體進行冷卻后，再由變頻器風(fēng)道出風(fēng)口將熱風(fēng)排出。
(2)安裝方式
風(fēng)道開放式冷卻施工比較簡單，變頻器的熱風(fēng)通過風(fēng)罩進行采集，只需在現(xiàn)場制作風(fēng)道，利用風(fēng)道將熱風(fēng)排出室外；變頻室的墻壁上另外開兩個口，安裝上濾網(wǎng)，作為進風(fēng)孔。如下圖所示：
圖5 變頻器風(fēng)道冷卻安裝圖
根據(jù)現(xiàn)場實際情況實際空間各變頻器布置如下：
兩臺280kW/10kV凈環(huán)水泵,擬采用一套高壓變頻器，變頻器房間建在凈環(huán)水泵后面空地處，房屋如下：
圖6 單臺變頻器一個房間并列圖
棒材廠旋流池系統(tǒng)三臺高壓水泵電機（315kV/10kV）需要變頻改造兩臺水泵，一臺高壓變頻器室建在旋流池地表面旁邊，圖紙如上。
棒材廠旋流池凈環(huán)水系統(tǒng)另一臺電機；棒線加熱爐煤煙風(fēng)機、空煙風(fēng)機；高線加熱爐風(fēng)機、煤煙引風(fēng)機、空煙引風(fēng)機，總共六臺設(shè)備布置在一間新建（新建變頻器房間基礎(chǔ)高度在60mm左右有室內(nèi)電纜溝）,變頻器室如下圖：
圖6 變頻器室內(nèi)布置圖
三、應(yīng)用效果分析
由于現(xiàn)場運行中負(fù)載調(diào)節(jié)頻率較高，根據(jù)同工況經(jīng)驗值與現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)計算所得以下數(shù)據(jù)。
3.1工頻狀態(tài)下的耗電量計算
Pd：電動機功率；Cd：年耗電量值； U：電動機輸入電壓；I：電動機輸入電流；cosφ：功率因子； T：年運行時間；δ：單負(fù)荷運行時間百分比
電機耗電功率計算公式：Pd=xUxIxcosφ…①
累計年耗電量公式：Cd= Tx∑（Pdxδ）…②
根據(jù)計算公式①②，通過計算可得出工頻情況下單臺各負(fù)載的耗電量如下：
|
.項目 |
設(shè)備工頻運行功率 |
設(shè)備工頻的年耗電量 |
|
棒材廠旋流池水系統(tǒng)單臺水泵 |
279.7 |
2237744 |
|
凈環(huán)水泵 |
227.2 |
1863355 |
|
棒材廠空煙 |
123.4 |
987240 |
|
棒材廠煤煙 |
174.6 |
1396685 |
|
高線空煙 |
147.7 |
1181640 |
|
高線煤煙 |
193.6 |
1549101 |
|
高線助燃風(fēng)機 |
138.6 |
1108480 |
3.2變頻狀態(tài)下的年耗電量計算
對于普通風(fēng)機、水泵負(fù)載，變頻狀態(tài)下的計算如下：
Pd′：電動機軸功率； P′：風(fēng)機（泵）軸功率；：電動機效率；
：變頻器實際效率；Q：風(fēng)機（泵）出口流量；H：風(fēng)機（泵）出、入口壓力差，λ:管網(wǎng)特性系數(shù)。
由軸功率：P′=…⑥，
代入風(fēng)機（泵）的額定值，得出其管網(wǎng)特性系數(shù)λ。
將風(fēng)機（泵）在不同負(fù)載下的、壓力、流量值分別代入上式，可以求得軸功率。
電動機效率與電動機負(fù)荷率β之間的關(guān)系如下圖一所示。
變頻器效率與系統(tǒng)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如下圖二所示。
綜合考慮到電動機效率和變頻器的效率
則網(wǎng)側(cè)消耗功率：…⑦
累計年耗電量公式：Cb= Tx∑（Pbxδ）…⑧
根據(jù)計算公式，通過計算可得出變頻情況下單臺各負(fù)載的耗電量如下：
|
.項目 |
設(shè)備變頻運行功率 |
設(shè)備變頻的年耗電量 |
|
棒材廠旋流池水系統(tǒng)單臺水泵 |
236 |
1887795 |
|
凈環(huán)水泵 |
190.1 |
1520510 |
|
棒材廠空煙 |
91 |
728062 |
|
棒材廠煤煙 |
129.2 |
1033848 |
|
高線空煙 |
111.2 |
889984.4 |
|
高線煤煙 |
154.2 |
1233688 |
|
高線助燃風(fēng)機 |
104.4 |
835257.7 |
3.3節(jié)能計算
年節(jié)電量：ΔC= Cd－Cb…⑨
節(jié)電率=（ΔC/Cd）x100%…⑩
變頻改造后，根據(jù)公式⑨⑩，計算出單臺負(fù)載上變頻后與工頻相比每年的節(jié)電情況如下：
|
.項目 |
年節(jié)電量 |
節(jié)電率 |
|
棒材廠旋流池水系統(tǒng)單臺水泵 |
349949 |
15.6% |
|
凈環(huán)水泵 |
342845 |
16.4% |
|
棒材廠空煙 |
259178 |
26.2 |
|
棒材廠煤煙 |
362836.7 |
26% |
|
高線空煙 |
291655.2 |
24.7% |
|
高線煤煙 |
315412.9 |
20.3% |
|
高線助燃風(fēng)機 |
273222.3 |
24.6% |
注：1)、以上計算均屬于理論計算值，存在±3%的偏差；
2）、設(shè)備年運行時間按照8000小時計算。
四、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效益
4.1維護量減少
采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作，通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低電機的轉(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件的壽命；同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護開支，節(jié)約大量維護費用。
4.2工作強度降低
由于調(diào)速系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖控制，機組實現(xiàn)自動運行和相應(yīng)的保護及故障報警，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證4.3減少了對電網(wǎng)的沖擊
采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。