板坯一次鐵皮沉淀池自吸泵節能改造

摘 要：對水泵變頻調速的節能運行機理進行分析，根據福建三鋼的自吸泵控制系統提出改造方案。對改造方案進行詳細地闡述，對改造中出現的問題進行有效地解決。最后提出變頻調速改造所需的注意事項。

關鍵詞：自吸泵；變頻器調速；節電；降低故障率

1 前言

當前，我國鋼鐵行業正在經歷寒冬。鋼鐵行業大部分處于虧損狀態，中國鐵礦石進口困難，鐵礦石價格上漲，導致生產成本增加，利潤率下降。鋼鐵工業增產減收，銷售利潤率大大低于全國規模以上工業平均水平。為提高利潤，如何在節能方面降低生產成本，刻不容緩。

隨著電力電子技術、微電子技術及現代控制理論的發展，變頻器已經廣泛地用于交流電動機的速度控制。其最主要的特點是具有高效率的驅動性能及良好的控制特性。若我們正確地應用變頻器，能顯著地節省電力，提高經濟效益。

2 水泵采用變頻調速的節能分析

2.1 變頻調速節電原則

異步電動機變壓變頻調速時，通常在50HZ以上采用恒功率調速，50HZ以下采用恒轉矩調速。在恒功率調速時，電動機已發揮最大使用功率，此時應用變頻器是不節電的。在恒轉矩調速時，電動機的轉矩基本恒定，則頻率越低轉速越低，機械輸出功率越小，變頻器輸入的電功率也相應減少。在恒轉矩調速時，轉速越低越節電。變頻器的節電原則：必須采用恒轉矩調速，頻率越低節電越多。

2.2 水泵典型的壓力、流量、功率與轉速的特性

當輸送流體的密度p不變，僅轉速改變時，其性能參數的變化遵循比例定律：水泵流量與轉速的一次方成正比；壓頭（揚程）與轉速的二次方成正比；液體壓力與轉速的一次方成正比；功率與轉速的三次方成正比。

如圖1所示以一臺水泵為例，它的出口壓頭為H0（出口壓頭即泵入口和管路出口的靜壓力差），額定轉速為n0，閥門全開時的管阻特性為r0，額定工況下與之對應的壓力為H1，出口流量為Q1。在現場控制中，通常采用水泵定速運行，出口閥門控制流量。當流量從Q1減小至Q2時，閥門開度減小使管網阻力特性由r0變為r1，系統工作點沿方向由原來的A點移至B點；受其節流作用壓力H1變為H2。則電機節省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調速手段改變水泵的轉速n，當流量從Q1減小至Q2時，那么管網阻力特性為同一曲線r0，系統工作點將沿方向由原來的A點移至C點，水泵的運行也更趨合理。在閥門全開，只有管網阻力的情況下，系統滿足現場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節省的功耗為BQ2OH2和CQ2OH3的面積差。

由變頻控制電機的轉速調節流量，電機的轉速越低，消耗的電能越小，為轉速的立方衰減。因此變頻調速在泵類上的應用將大大節省電能。同時可根據生產工藝的需求在管道上安裝壓力傳感器檢測液體壓力，與變頻器形成閉環控制，實現泵類的恒壓運行，管道的阻抗損耗減小，使系統的節能效果更理想；也可在泵類系統上安裝液位控制器，參與變頻器的二次回路控制，實現變頻器的自動調速。

3 自吸泵控制方式改造方案

3.1 改造所要實現的目標

福建三鋼煉鋼廠板坯連鑄車間的鐵皮沉淀池自吸泵自安裝投產以來的控制方式為：用軟啟動器驅動90KW的電機恒功率輸出，用管道上的電動蝶閥控制廢水流量，從而控制廢水池內的水量。經過幾年的生產運行，用此方式控制的水泵系統出現以下弊端：①水泵系統從電網吸收的能量并沒有減少，電動機的輸出動力基本沒有改變。雖然閥門的輸出量達到了工況要求，但能量有效應用的比例減少了，白白浪費掉大量的無用功，造成電力的嚴重浪費；②由于通過閥門調節使系統壓力升高，對管道和閥體的密封性能造成威脅和破壞，電動閥的故障率高，經常是電動閥的閥體漏水而更換電動閥，平均一年需更換2臺電動閥；③水泵葉輪長期處于高速運行狀態，對葉輪和泵體的機械性能影響較大，通常是由于葉輪磨損和泵體憋死導致二年需更換1臺水泵，④水泵電機長期滿負荷運行，電機溫度高，由于電機燒，平均半年需更換1臺電機；⑤曾出現過多次由于生產進行中水泵電機未開，廢水坑水位過高，導致一次坑的多數設備被淹；⑥需根據水位高度，人為的調節閥門開度，浪費人力資源。

本次對板坯鐵皮沉淀池水泵系統的控制方式改造，就是為了實現節省電能，降低設備故障率，減少備件的消耗，減少維修人員的工作量，從而達到節能的目標。

3.2 變頻調速改造方案

水泵為變轉矩負載，使用恒轉矩調速的電機驅動時，速度變化到低速時所能輸出的轉矩仍有剩余。因此，恒轉矩調速電機可以滿足調速要求。在實際應用設計方案時，應根據生產工藝的具體要求來決定采用開環控制還是閉環控制。變頻器可以是水泵專用變頻調速器，也可選用通用變頻調速器。在滿足生產工藝需求的前提下，選擇最實用、最經濟的方案。

選用艾默生（EV2000-4T132OP）水泵專用變頻器取代軟啟動器控制自吸泵90KW電機，變頻器高速運行設置為45HZ，低速運行設置為30HZ；在廢水坑上方安裝液位計檢測水位，為變頻器的高、低速度運行提供信號；考慮到降低改造成本和減少控制系統的故障點，本次改造不采用PLC控制，而是在板坯P6操作室內安裝自吸泵控制箱；設計變頻器控制的二次回路，實現電機的自動變頻調速運行。

如圖2、3所示，自吸泵控制箱上設置“手動——自動”轉換開關。若轉換開關處于自動狀態下，當生產過程中廢水池內的水位高于液位計設置的高位時，KA3線圈得電，KA3常開觸點閉合，KA1線圈得電，變頻器自動啟動，并且高速運行；當水位低于高位時，KA3線圈失電，KA1常開觸點自鎖，變頻調速電機低速運行；當水位低于液位計設置的低位時，KA2線圈得電，KA2常閉觸點斷開，KA1線圈失電，變頻器停止工作，電機不運行。根據電氣原理圖分析，電機的轉速由變頻器自動調節，電機多數時間運行在低速狀態。

在改造后的試運行階段，初步使用的浮球液位控制器。由于廢水池的進水量大且急，水面波動大，液位計的浮球上下擺動，水池的高、低位難以判斷，給變頻器的自動控制造成很大的麻煩，變頻器大多數時間處于高速運行狀態。浮球液位計不適合在液面波動較大的地方使用。為解決這一問題改用超聲波液位計，由于受水面波動的影響減小，液位計工作正常。

經過改造后一年的投入使用，從液位計→變頻器→電機很好地實現了根據水位的變化對水泵電機的自動變頻調速控制。由于水泵電機長期處于低速運行，電動機運行電流有較大幅度下降，節電效果明顯，系統效率有較大提高。電機運行溫度下降，葉輪和泵體的磨損降低，水壓對管道阻抗和閥體密封性的影響降低，使得各設備的使用壽命大大提高，降低了設備的損耗。板坯一次鐵皮沉淀池自吸泵的變頻調速改造成功，很好地實現了節能目的。

4 變頻調速改造時應注意的問題

可選用水泵專用的變頻器，此類變頻器比通用變頻器功率器件的容量小，價格較低，選此類變頻器可減少投資。此類變頻器已按風水泵的特性設定好V/f曲線，節電效果顯著。

用變頻器控制泵類時，要設定好加減速度時間，一般應根據電動機功率適當放長升速與減速時間，避免起動與關機太快造成沖擊電流太大。

在變頻器輸出頻率低時，輸出電壓也低，電壓降比例也大。因此，改造所用的電纜的截面積比沒有用變頻器作驅動電動機的電纜截面積要大一級。

5 結束語

目前全國的鋼鐵行業正面臨著嚴峻的挑戰，有效地減少生產能耗，降低噸鋼生產成本，提高利潤，是全國鋼鐵企業首當其沖必須考慮的問題。本次對板坯一次鐵皮沉淀池自吸泵的改造，不僅節省了生產用電，還大大降低了水泵系統設備的故障率，減少了設備采購費用，節能改造效果明顯。

參考文獻

[1]艾默生變頻器用戶手冊[Z].

[2]黃立培，張學.變頻器應用技術及電動機調速[M].北京：人民郵電出版社，1998（7）.

作者簡介：葉濤（1982，6-），男，籍貫：福建省閩侯，學歷：大專，職稱：電氣助理工程師。