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(jī)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(fèi)。因此需對軋鋼水處理作業(yè)區(qū)濁環(huán)水泵部分電機(jī)進(jìn)行變頻改造，這樣既節(jié)水又節(jié)能。

陜西龍門鋼鐵集團(tuán)軋鋼廠濁環(huán)系統(tǒng)及加熱爐系統(tǒng)中的高壓風(fēng)機(jī)、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(yùn)行效率較低，并且有大量能量浪費(fèi)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(jī)、煤煙風(fēng)機(jī)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(shí)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(jī)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(yùn)行性能正快速的替代其它調(diào)速產(chǎn)品，全面的進(jìn)入到冶金行業(yè)的節(jié)能改造項(xiàng)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(yùn)行速度，以實(shí)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(dá)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(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時使維護(hù)量大大降低，為鋼鐵企業(yè)帶來了可觀的效益，切實(shí)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(jī)、煤煙風(fēng)機(jī)、高線加熱爐煤煙風(fēng)機(jī)、空煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)，現(xiàn)場不需要更換電機(jī)。

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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)所有水泵、壓力、流量、液位等實(shí)時數(shù)據(jù)的采集和控制等功能，并對變頻器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。所有控制功能可以通過遠(yuǎn)程或就地方式實(shí)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(shí)時傳輸?shù)缴衔槐O(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)PLC對變頻器實(shí)時運(yùn)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(jì)算機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)對現(xiàn)場所有設(shè)備及儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、監(jiān)視、記錄、管理、報(bào)警；對所有設(shè)備的實(shí)時遠(yuǎn)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(yuǎn)，因此，采用多模光纖以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備用于連接所有監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

2.2.3控制模式

為了保證控制系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行，控制系統(tǒng)采用多種控制模式實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場水泵的實(shí)時監(jiān)視和控制功能：

● 遠(yuǎn)程自動：通過上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)采集和自動控制、調(diào)節(jié)等功能；

?● 遠(yuǎn)程手動：通過上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)采集和手動控制、調(diào)節(jié)等功能；

?● 變頻器手動：變頻器上提供了操作面板可以實(shí)現(xiàn)對水泵的現(xiàn)場手動控制、調(diào)節(jié)等功能；

?● 就地手動：通過變頻器控制柜的手動控制按鈕可以實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)時傳輸?shù)絇LC和上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，并將上位計(jì)算機(jī)或PLC下發(fā)的控制和調(diào)節(jié)指令實(shí)時傳送到變頻器，實(shí)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(shí)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(jī)界面中簡單的參數(shù)設(shè)置便可以實(shí)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(shí)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(jī)狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。

(2) 變頻器運(yùn)行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運(yùn)行。

(3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點(diǎn)閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制；節(jié)點(diǎn)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(bào)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(jìn)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(jī)在工頻旁路：表示電動機(jī)處于工頻旁路狀態(tài)。

以上所有數(shù)字量采用無源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時有效。除特別注明外，接點(diǎn)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(diǎn)，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運(yùn)行。

(2) 停機(jī)指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機(jī)。

(3) 高壓就緒：干接點(diǎn)，高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r，輔助節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(hù)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(yùn)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(jī)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(dá)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(yùn)行環(huán)境溫度過高，影響變頻器的正常運(yùn)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(diǎn)是施工方便，造價(jià)低；缺點(diǎn)運(yùn)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(diǎn)是施工方便，維護(hù)量低，使變頻器的運(yùn)行環(huán)境良好；缺點(diǎn)是前期費(fèi)用投入較高，長期運(yùn)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(diǎn)是可以利用現(xiàn)場已有的資源（現(xiàn)場的冷卻水），設(shè)備運(yùn)營成本是同等熱交換功率空調(diào)的1/3-1/4，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，使變頻器的運(yùn)行環(huán)境良好；缺點(diǎn)是前期費(fèi)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(diǎn)，用戶一般會根據(jù)自身的特點(diǎn)和要求選擇最適合自身?xiàng)l件的方案來實(shí)行。

2.4.2 符合現(xiàn)場實(shí)際情況的高效散熱方案

按照高壓變頻器運(yùn)行效率96％進(jìn)行計(jì)算：變頻器的最大散熱功率為：變頻額定功率×4％。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，綜合冷卻系統(tǒng)的投資和運(yùn)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(jìn)入變頻器，經(jīng)過對機(jī)體進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)際情況實(shí)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(jī)（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(jī)；棒線加熱爐煤煙風(fēng)機(jī)、空煙風(fēng)機(jī)；高線加熱爐風(fēng)機(jī)、煤煙引風(fēng)機(jī)、空煙引風(fēng)機(jī)，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7 變頻器室內(nèi)布置圖

三、應(yīng)用效果分析

由于現(xiàn)場運(yùn)行中負(fù)載調(diào)節(jié)頻率較高，根據(jù)同工況經(jīng)驗(yàn)值與現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)計(jì)算所得以下數(shù)據(jù)。

3.1 工頻狀態(tài)下的耗電量計(jì)算

Pd：電動機(jī)功率 ；Cd：年耗電量值 ； U：電動機(jī)輸入電壓 ；I：電動機(jī)輸入電流 ； ：功率因子； T：年運(yùn)行時間； ：單負(fù)荷運(yùn)行時間百分比

電機(jī)耗電功率計(jì)算公式：

累計(jì)年耗電量公式：

根據(jù)計(jì)算公式①②，通過計(jì)算可得出工頻情況下單臺各負(fù)載的耗電量如下：

對于普通風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載，變頻狀態(tài)下的計(jì)算如下：

 ：電動機(jī)軸功率 ；  ：風(fēng)機(jī)（泵）軸功率 ； ：電動機(jī)效率 ；

 ：變頻器實(shí)際效率 ；Q：風(fēng)機(jī)（泵）出口流量 ；H：風(fēng)機(jī)（泵）出、入口壓力差，：管網(wǎng)特性系數(shù)。

由軸功率： ，

代入風(fēng)機(jī)（泵）的額定值，得出其管網(wǎng)特性系數(shù) 。

將風(fēng)機(jī)（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(jī)效率與電動機(jī)負(fù)荷率之間的關(guān)系如下圖一所示。

變頻器效率與系統(tǒng)負(fù)荷率之間的關(guān)系如下圖二所示。

綜合考慮到電動機(jī)效率和變頻器的效率

則網(wǎng)側(cè)消耗功率：

累計(jì)年耗電量公式：

根據(jù)計(jì)算公式，通過計(jì)算可得出變頻情況下單臺各負(fù)載的耗電量如下：

3.3節(jié)能計(jì)算

年節(jié)電量：

節(jié)電率=

變頻改造后，根據(jù)公式⑨⑩，計(jì)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：

注：1)、以上計(jì)算均屬于理論計(jì)算值，存在±3%的偏差；

2）、設(shè)備年運(yùn)行時間按照8000小時計(jì)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(hù)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(jī)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(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。

4.2 工作強(qiáng)度降低

由于調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)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(shí)現(xiàn)軟啟動，電機(jī)啟動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。