高壓變頻器在不銹鋼中厚板淬火機冷卻水系統(tǒng)的應用

張曉瑋

（酒泉鋼鐵集團公司宏興股份公司，甘肅嘉峪關 735100）

1 前言

酒鋼不銹鋼中厚板退火酸洗工序退火段采用輥底式加熱爐，對板材進行固溶、回火、正火、淬火等處理，爐子出口采用輥式淬火機進行強制冷卻，淬火機為多冷卻段連續(xù)冷卻方式，鋼板在淬火過程中依次通過不同的冷卻段，即先在快速冷卻段采用高壓大水量（壓力最大為0.8M Pa，流量最大為5.5m3/（m i n·m2））以最大限度吸收鋼板表面的熱量；然后，在低壓段以較小的水量繼續(xù)冷卻鋼板，最終使鋼板溫度降到室溫，在冷卻過程中冷卻水量根據(jù)板材規(guī)格進行調整。但由于淬火機高壓段及低壓段供水循環(huán)泵為工頻運行，水量的頻繁調整直接影響高壓水泵的穩(wěn)定運行，所以從投運至今，針對高、低壓段供水流量基本不調整，一直采用大流量冷卻，冷卻薄規(guī)格板材時多余水量由管道旁路泄壓，造成了不必要的能源浪費。

2 改造前原有系統(tǒng)簡介

2.1 淬火機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝過程

中厚板淬火機高壓濁環(huán)水系統(tǒng)，采用4臺高壓水泵3用1備的方式運行。運行水泵目前均為工頻運轉，配合各工頻運轉水泵出口閥門開度，使對應管網系統(tǒng)入口保持在相應的運行參數(shù)點上。高壓淬火段設有旁通閥，根據(jù)壓力自動調節(jié)，使管網壓力始終保持在0.8M Pa。

淬火機低壓濁環(huán)水系統(tǒng)，采用4臺循環(huán)水泵2用2備的方式運行。運行的水泵目前均為工頻運轉，配合各工頻運轉水泵出口閥門開度，使對應管網系統(tǒng)入口保持在滿足冷卻終端需求的運行參數(shù)點上。

淬火機提升泵系統(tǒng)，采用6臺高壓水泵4用2備的方式運行。

2.2 系統(tǒng)管網流程圖

圖1 高壓濁環(huán)水系統(tǒng)管網流程示意圖

圖2 低壓濁環(huán)水系統(tǒng)管網流程示意圖

圖3 提升泵系統(tǒng)管網流程示意圖

2.3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設備配置情況

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設備配置情況見表1。

表1 濁環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)場配置

2.4 原有設備配置的運行模式導致高能耗的主要原因

高、低壓濁環(huán)水系統(tǒng)、提升泵系統(tǒng)中循環(huán)水泵常年采用工頻配合出口閥門調節(jié)的運行模式，運行能耗較大。高、低壓濁環(huán)水系統(tǒng)中終端冷卻系統(tǒng)設有旁通閥（泄壓用），通過旁通閥的自動調節(jié)來控制總管壓力，達到工藝所需的壓力及流量，旁通閥的大開度調節(jié)會造成水泵能耗的浪費。目前系統(tǒng)采用水泵工頻運行，沒有考慮與環(huán)境溫度和系統(tǒng)荷載變化相適應的自適應調節(jié)控制運行方式，造成水泵能量浪費、系統(tǒng)效率偏低。

3 高壓變頻改造主要項目及技術要點

3.1 基本參數(shù)采集及監(jiān)控

3.1.1 高、低壓濁環(huán)水系統(tǒng)

（1）采集冷卻水供回水溫度、管網入口壓力和流量、水泵運行特征參數(shù)（電流和頻率），以及閥門開度等參數(shù)信號。

（2）實施泵閥一體化優(yōu)化控制，盡量使高壓淬火段的旁通閥處于小開度或者全關狀態(tài)。

（3）提高循環(huán)水系統(tǒng)整體能效，達到綜合節(jié)能目標。

3.1.2 提升泵系統(tǒng)

（1）采集提升后指定節(jié)點的水位、管網入口流動狀態(tài)參數(shù)（壓力和流量）、水泵運行特征參數(shù)（電流和頻率），以及閥門開度等參數(shù)信號。

（2）采集冷卻塔進回水溫度，作為后期冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)據(jù)依據(jù)。

（3）根據(jù)信號的監(jiān)測，進行循環(huán)系統(tǒng)運行能效實時監(jiān)測和連續(xù)分析。

（4）在實行上述兩項控制的同時，開展水泵的泵閥一體優(yōu)化控制，使水泵輸入和輸出功率極小化，從而使節(jié)電效果極大化。

（5）提高循環(huán)水系統(tǒng)整體能效，達到綜合節(jié)能目標。

3.2 控制措施

（1）采用泵閥一體變頻技術

根據(jù)冷卻水溫度的變化，采用泵閥一體智能變頻節(jié)能技術，使水泵輸入和輸出功率極小化，從而使節(jié)電效果極大化。

（2）采用管網壓力平衡技術

在滿足系統(tǒng)水量需求的前提下，泵閥一體智能變頻技術配合管網壓力智能平衡技術，促使高壓淬火段的旁通閥處于小開度或者全關狀態(tài)，管網壓力維持在0.8M Pa。低壓淬火段的管網壓力維持在0.4M Pa。

（3）采用管網平衡高效輸配技術

在確保動態(tài)工況下，終端多個支路用戶，用水動態(tài)平衡按需供給的同時，通過對輸配管網閥門開度的系統(tǒng)優(yōu)化，使系統(tǒng)輸配阻力最小化。

（4）采用優(yōu)化水位控制技術

在滿足系統(tǒng)工藝供水要求的前提下，提升泵系統(tǒng)采用水位優(yōu)化控制程序，確保循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)水流量的整體優(yōu)化，使系統(tǒng)運行處于良性循環(huán)狀態(tài)。

（5）泵組高效群控技術

根據(jù)不同季節(jié)對冷卻水量需求的變化，在水位優(yōu)化控制的前提下，對運行中的提升泵組進行高效群控，使整個泵組耗功極優(yōu)化。

3.3 變頻配置

對于高壓濁環(huán)水系統(tǒng)，高壓水泵3用1備的運行方式，采用1套一拖二+2套一拖一的變頻配置。對于低壓濁環(huán)水系統(tǒng)，高壓水泵2用2備的運行方式，本方案采用2套一拖二的變頻配置。對于提升泵系統(tǒng)，高壓水泵4用2備的運行方式，本方案采用2套一拖二+2套一拖一的變頻配置，見圖4。

采用的變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動、噪音、d v/d t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，不需要更換電機。

變頻調速系統(tǒng)由現(xiàn)場D C S監(jiān)控操作系統(tǒng)進行控制，根據(jù)運行工況按設定程序，實現(xiàn)對負載設備電動機轉速的實時控制。

變頻系統(tǒng)，既可以變頻調速運行，也可投工頻運行，并具有旁路切換功能。

在現(xiàn)場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續(xù)運轉，維持機組的工況不變。

為確保多變工況下，循環(huán)水泵泵組運行效率的優(yōu)化，采用泵閥一體智能變頻方案，即為各水泵高效變頻運行的開展，配套相應的閥位一體控制軟硬件模塊。

圖4 變頻配置方案

3.4 安全保護

3.4.1 水泵變頻器安全保護

（1）電涌保護針對侵入主電路電源線之間和接地點之間的電涌。

（2）過載保護變頻器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達規(guī)定時間以上，防止變頻器、電線等損壞要停止運轉。過載保護需要反時特性，通常采用電子熱繼電器進行保護。過負載是負載G D 2（慣性）過大或因負載過大使電動機堵轉而產生。

（3）再生過電壓保護采用變頻器使電動機快速減速時，再生功率使直流電路電壓升高，超過容許值。可以采取停止逆變器運轉或停止快速減速辦法，防止過電壓。

（4）欠壓保護。

（5）接過電流保護變頻器負載側接時，保護變頻器要有接過電流保護功能。但確保人身安全，需要裝設漏電保護。

（6）變頻柜冷卻風機異常有冷卻風機裝置，當風機異常時裝置內溫度將上升，采用風機熱繼電器或元件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止變頻器。溫度上升很小對運轉無妨礙場合，可以省略。

（7）過熱保護防止變頻器內部過熱引起元器件損壞。

（8）短路保護防止輸出端短路產生過流損壞變頻器。

3.4.2 異步電動機保護

（1）過載保護過載檢出裝置與變頻器保護共用，但考慮低速運轉過熱時，異步電動機內埋入溫度檢出器，利用裝變頻器內電子熱繼電器保護來檢出過熱。動作頻繁時，可以考慮減輕電機負載、增加電機及變頻器容量等。

（2）超頻（超速）保護變頻器輸出頻率異步電動機速度超過規(guī)定值時，停止變頻器運轉。

3.4.3 系統(tǒng)連鎖保護

具有主設備電源的現(xiàn)場主設備電源的連鎖切換。P L C系統(tǒng)的冗余切換。主備泵的連鎖切換。變頻器的安全啟停。

系統(tǒng)故障退出后的快速復位。

4 改造后運行情況

改造后系統(tǒng)運行正常，旁路泄水閥門基本在全關狀態(tài)，與改造前相比，針對淬火機冷卻相同規(guī)格的板材，供水泵組少開2臺循環(huán)泵、提升泵組少開1臺自吸泵，每日節(jié)約電耗大于22000k W·h，降低噸鋼能源成本21元。

5 結論

淬火機冷卻水系統(tǒng)通過采用高壓變頻改造后，成功解決了中厚板間歇生產過程高能耗問題，同時，由于主循環(huán)水泵變頻經濟運行模式，以及根據(jù)氣候溫度變化對開機臺數(shù)進行優(yōu)化，綜合節(jié)能效果明顯。