UFC工藝加壓泵電氣傳動裝置的選型策略

劉金波 林海濤 許榮生

(1:寶鋼韶關鋼鐵有限公司板材廠 廣東韶關512123; 2:北京科技大學冶金與生態工程學院 北京100083)

UFC工藝加壓泵電氣傳動裝置的選型策略

劉金波①1，2林海濤1許榮生1

(1:寶鋼韶關鋼鐵有限公司板材廠 廣東韶關512123; 2:北京科技大學冶金與生態工程學院 北京100083)

針對韶鋼超快冷項目改造中加壓泵電氣傳動裝置的選型，本文通過對超快冷加壓泵電氣傳動系統的分析和計算，并結合現場的實際使用情況，摒棄了采用變頻電動機加合資品牌串聯多重化高壓變頻器的加壓供水泵傳動方式，選用了滿足工藝要求且無需定制的普通高壓電動機加單元串聯多重化變頻器的低成本選型方案。通過韶鋼3450mm生產線實際驗證，該方案完全滿足超快冷工藝現場使用要求，系統運行穩定，為韶鋼3450mm超快冷改造項目直接節約投資150多萬元。

UFC 加壓泵 電氣傳動 選型

1 前言

寶鋼韶關鋼鐵有限公司板材廠3450mm生產線因采用新一代TMCP技術[1]于2014年1月增加一套超快冷(UFC)裝置(ADCOS-PM，新一代中厚板軋后冷卻裝置)。超快冷裝置有超常規的冷卻能力，冷卻速度一般大于100℃/s[2]。在超快冷生產中，冷卻規程的精確執行是保證鋼板性能和板型穩定的基礎，冷卻水壓力的平穩快速調整是其核心之一[3]。韶鋼3450mm生產線超快冷裝置供水采用高位水箱加加壓泵的供水方式，高位水箱高24m，超快冷供水水壓有0.2MPa和0.5MPa兩種方式，其中0.5MPa由加壓泵對高位水箱二次加壓實現。工藝需求最大供水量為10000m3/h，正常供水時流量調節范圍約為2000m3/h～10000m3/h，單塊鋼板冷卻最長供水調整時間(怠速到工頻)必須在10s內，最長關水調整時間(工頻到怠速)必須在15s內，需采用定制設計的變頻器傳動系統[4]。

超快冷裝置加壓泵設計為3臺，單臺供水量4200m3/h。加壓泵選型為700×H×S60單級雙吸離心泵，主要參數:Q=3200～4000～4800m3/h，H=64～60～55m，額定轉速n=980rpm。

圖1 超快冷裝置示意圖

超快冷冷卻工藝要求

1) 加壓泵電氣傳動系統需選擇變頻傳動裝置以滿足水流量連續大范圍調節要求。

2) 三臺供水泵存在單臺一用兩備，雙臺兩用一備，三臺同開三種供水方式，以滿足正常供水時2000m3/h～10000m3/h流量調節范圍，多臺快速調節對變頻系統調速同步性要求較高。

3)正常供水時頻率調整范圍約為10Hz～50Hz，從10Hz到50Hz的調整時間必須小于10s，50Hz調整到10Hz必須小于15s，對電氣傳動系統響應要求較高。

2 加壓泵電氣傳動選型分析

在以往設計的超快冷工藝變頻及傳動系統中，加壓供水泵傳動系統均采用變頻電動機加合資品牌串聯多重化高壓變頻器的傳動方式，并由變頻器廠家根據上述工藝要求進行定制。其定制方案主要為加大恒功率類負載變頻器的容量或直接選用恒轉矩型變頻器。這種傳動選型很好的保證工藝需求，但也大大增加了項目投資成本。

為降低項目投資成本，我們基于工程經濟的角度針對電氣傳動選型做了分析，主要集中在兩個問題：

1)加壓泵電動機能否采用普通高壓異步電動機？

2)普通單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器能否滿足工藝要求？

3 加壓泵電動機選型計算

3.1 加壓泵電動機選型

單元串聯多電平PWM電壓源型采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。該變頻器滿足IEEE 519-1992和GB/T14549-93標準，具有對電網諧波污染小、可實現冗余、輸入功率因數高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置，輸出波形質量好、不存在諧波引起的電動機附加發熱和轉矩脈動、dU/dt低等特點，不必加裝輸出濾波器就可以用于普通異步電動機[5]。

電動機拖動水泵類負載，水泵滿載轉動慣量1400N·m2，大大低于電動機本身的轉動慣量11000N·m2且水泵負載平穩，對電動機沖擊很小，過載能力要求小。

變頻調速要求加強對地絕緣和線匝絕緣強度，推薦使用F級或更高絕緣等級。

根據

式中n1、n2—加壓泵功率；P1、P2—加壓泵轉速；H1、H2—加壓泵流量。

采用變頻控制，當流量減少時，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降[3]，加壓泵低速情況下電動機功率降低很快，且加壓泵為間歇性工作制，同軸冷卻風機基本滿足其冷卻需要。

為了進一步分析超快冷加壓泵電機選用高壓變頻電機還是選用普通高壓電機的問題，表1在現場實際需求的基礎上對兩種電機能否滿足現場要求進行了比較，從表中可以看出，針對本項目的實際情況，普通電機也完全能滿足現場的實際需要，基于此，并從經濟性角度出發，加壓泵電動機選擇普通YKK560-6型高壓電動機，F級絕緣，防護等級IP54。

表1 超快冷加壓泵電機選型要素比較

3.2 加壓泵電動機計算

根據離心泵電動機功率計算公式(1)[6]

(1)

式中K—裕量系數，取1.05；γ—水密度；Q—加壓泵流量；H—加壓泵揚程；ΔH—主管損失揚程；η—加壓泵水泵效率，取0.85；ηC—加壓泵傳動效率，與電動機直接連接為1。

由上式得加壓泵電動機計算功率為(700∶800∶900)kW，考慮到加壓泵流量、揚程及加減速時間要求，電動機適當選大至900kW。電動機主要參數選型為：PN=900kW，UN=10kV，IN=65A，nN=993r/min，η=0.95，Tn=8665.6N·m。

4 加壓泵電氣傳動系統參數計算

加壓泵傳動系統選擇單元串聯多重化高壓變頻器，水泵為平方負載，變頻器容量根據電動機容量適當放大1.1～1.2倍，按1000kVA～1100kVA選取。由于工藝要求正常供水時從10Hz到50Hz的調整時間必須小于10s，50Hz調整到10Hz必須小于15s，選型時主要核算傳動系統的加減速響應問題。根據加減速時間與電動機的輸出轉矩以及負載轉矩有關，系統的機械方程為公式(2)[7]：

(2)

式中Te—電磁轉矩；T1—負載轉矩；J=J1+J2—轉動慣量；ω—角速度；RΩ—阻尼系數，由于阻尼系數不易獲取，阻尼轉矩RΩω按0.1倍額定轉矩進行估算。

加壓泵整個加減速過程按勻加減過程計算有：

(3)

式中TACC、TDec—加減速轉矩；J1—電動機轉動慣量，11000N·m2；J2—水泵轉動慣量，空載1000N·m2，滿載1400N·m2，按滿載計算。

按10Hz(199r/min)到50Hz(993r/min)勻加速10s核算，電動機加速轉矩為1031N·m。按50Hz(993r/min)到10Hz(199r/min)勻減速15s核算，電動機減速轉矩為687N·m。

加壓泵的轉速—負載曲線圖如圖2。

圖2 加壓泵轉速轉矩關系曲線圖

從圖3可以看出，按10Hz勻加速10s到50Hz過程中，加壓泵電動機及變頻器計算電流最大為57.2A，小于電動機及變頻器額定電流，滿足使用工藝要求。

表2給出了在實際工藝要求下，兩種變頻器對于現場要求的滿足情況，從表中可以看出，普通國產變頻器和定制合資變頻器均可滿足超快冷加壓工藝實際要求。

圖3 加壓泵電動機啟動電流時間計算曲線

表2 超快冷加壓泵變頻器選型要素比較

表3 超快冷加壓泵電氣傳動系統選型方案比較

5 韶鋼加壓泵電氣傳動使用情況

韶鋼超快冷工藝加壓泵裝置采用江西特種電動機廠900kW YKK560-6型電動機和廣州智光電氣公司Zinvert-A8H1150/10B型變頻器，投產后裝置很好的滿足了超快冷工藝要求。加壓泵電動機頻率時間實際曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，加壓泵電動機頻率從10Hz到50Hz約12s左右。主要是在滿足現場實際使用情況下降低現場超快冷裝置局部壓力波動和減少水泵沖擊適當調長了變頻器上升時間參數。

表3是超快冷加壓泵電氣傳動系統韶鋼3450mm生產線和其他鋼廠選型方案比較，通過比較我們可以看出韶鋼3450mm生產線選型方案比其他鋼廠選型方案節約投資約50萬/臺套。

圖4 加壓泵電動機啟動頻率時間曲線

6 結束語

通過對超快冷工藝加壓泵電氣傳動系統選型分析和計算，得出滿足工藝要求的電氣傳動參數，并經過實際工況分析后，放棄了以往設計的超快冷工藝變頻及傳動系統中，加壓供水泵傳動系統均采用變頻電動機加合資品牌串聯多重化高壓變頻器的傳動方式，選取普通高壓電動機加單元串聯多重化變頻器的電氣傳動方式，通過實際應用表明，加壓泵電動機普通化的變頻電機國產化的選型方案完全滿足了現場生產的實際需要，符合工藝要求，系統運行穩定，為韶鋼節約投資達150多萬元。

[1]王國棟.新一代TMCP技術的發展[J].軋鋼,2012,Vol.29(1):18.

[2]彭良貴,王相華,王國棟.超快冷卻技術的發展[J].軋鋼,2004,Vol.21(1):1-3.

[3]孫濤,周娜,王丙興,等.中厚板控制冷卻系統的水流量控制技術[J].東北大學學報(自然科學版)，2008,Vol.29(6):842-844.

[4]李家棟,付天亮,李勇,等.多補償復合型超快冷水壓控制策略的建立和應用[J].軋鋼,2013,Vol.30(3):48-52.

[5]項立崢,逯乾鵬,李南坤,等.高壓變頻器調速技術及發展趨勢研究[J].電力設備,2005,Vol.6(6):14-17.

[6]《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊(下冊).北京:冶金工業出版社，2008:42.

[7]《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊(上冊).北京:冶金工業出版社，2008:306.

SelectionStrategyofElectricDevicewithPressurePumponUFCTechnology

Liu Jinbo1，2Lin Haitao1Xu Rongsheng1

(1:Shaoguan Iron & Steel Co., Baosteel Group, Shaoguan 512123; 2:University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

Aiming at the selection of pressure pump electric drive at UFC in reconstruction project, through the analysis and calculation of pressure pump electric drive system, and combined with the actual situation on site, abandoned the use of transmission mode of pressuried water supply with variable frequency motor and series multiple high-voltage inverter, and chosen common high-voltage motor with unit series multiple inverter which meeting the process requirements and no custom. Through the actual verification at SISG 3450mm production line, the scheme can meet the requirements of the ultra fast cooling process, and system is running stable, directly save investment about 1500000 yuan.

UFC equipment Pressure pump Electric drive Model selection

劉金波，男，1983年出生，北京科技大學在讀研究生，工程師，主要從事電氣傳動和冶金自動化工作

TG333

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.007

2014-05-27)