安鋼2800 mm軋線高壓水除鱗泵組節能變頻改造

周巍巍

(安陽鋼鐵股份有限公司)

?

安鋼2800 mm軋線高壓水除鱗泵組節能變頻改造

周巍巍

(安陽鋼鐵股份有限公司)

針對安鋼2800 mm軋線高壓水除鱗泵組在運行過程中出現的問題，對其進行優化設計和改造。解決目前存在的高能耗、高故障率等缺陷。使高壓水除鱗泵組在滿足生產需要的前提下，降低設備能耗和故障率，創造經濟效益。

除鱗泵組高壓變頻能效變頻改造

0　前言

安鋼2800 mm軋線高壓水除鱗泵組，一用二備，共三組，為除鱗機提供用以清除出爐鋼坯表面氧化鐵皮的高壓水流。高壓水除鱗工序在提高鋼板表面質量、降低軋輥磨損、延長軋輥使用壽命等方面都起著關鍵作用。

由于投用年限較長，加之節能環保理念的逐步推廣，泵組逐漸顯露出主電機能耗高、機組結構不緊湊、設備維護難度大、液力耦合器可靠性差等缺點。

1　存在問題

1.1主電機能耗高

高壓水除磷泵組為間歇工作方式。除鱗機及軋機用水量大時，平均間隔2.5 min，除鱗泵啟動運行1 min；用水量小時，間隔可達4 min以上。基于這樣特殊的工作方式，工程技術人員引入液力耦合器裝置，以此來實現除鱗泵啟停調速。而主電機一經啟動，大部分為空載運行狀態。

主電機額定功率為2800 kW，按照除磷泵的工作方式計算可知，在用水量小時，主電機有用功為560 kW，無用功為658.4 kW，實際效率為0.46左右。即便在用水量大時，主電機有用功為800 kW，無用功為587.8 kW，實際效率也僅有0.58左右。

1.2機組結構不緊湊

由于液力耦合器的存在，無法實現主電機與除磷泵直聯。而且還需為液力耦合器配屬專用液壓站點、管線，導致整套機組占用較大空間。

1.3設備維護難度大

維護規程規定，高壓水除磷泵及主電機設備需定期下線保養。基于泵組特殊的組合方式，為了降低機組振動值，每次保養后均需對主電機、液力耦合器、除磷泵進行聯合找正。而液力耦合器渦輪軸與泵輪軸在轉動時的獨立性及浮動性，導致泵組的同軸度很難找正，只有極少數經驗豐富的專業人員才能勝任。

1.4液力耦合器可靠性差、效率低、故障率高

我廠除磷泵組使用限矩型液力耦合器，這種設備存在如下缺點：1)結構復雜，日常維護工作量大，安裝、拆卸困難；2)成本高，性價比低；3)使用壽命短，一般2～3年需更換；4)故障率高，可靠性差；5)與直聯傳動方式相比，其傳動效率低，能量損耗大。

2　改進措施

2.1改進主電機控制方式

根據除磷泵運行狀況，計劃采用一拖二手動系統成套設計方案，將原空載軟啟方式改造為帶載變頻啟動，變頻器控制電機設計思路如圖1所示。

圖1　變頻器控制電機設計思路

從圖1可以看出，這套方案中使用4個高壓隔離開關QS11、QS12和QS21、QS22。其中，QS11和QS21，QS12和QS22有電氣互鎖并安裝機械互鎖裝置。如果母線1供電時，M1工作在變頻狀態，則M2在停止狀態，QS11和QS12處于合閘狀態，QS21和QS22處于分閘狀態。如果母線2供電時，M2工作在變頻狀態，則M1在停止狀態，QS21和QS22處于合閘狀態，QS11和QS12處于分閘狀態。當一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。如果檢修變頻器，則將QS11、QS12和QS21、QS22四個隔離開關都分閘，同時開啟M3水泵運行。

根據主電機具體參數：型號：為YSKP 630-2，功率為2800 kW，定子電壓為6000 V，定子電流316 A。選用施耐德ATV1200-3940-A60型變頻器。這種變頻器最大容量為3940 KVA，輸出電壓為6000 V。輸出頻率可在0.2 Hz～60 Hz之間進行任意調整，以滿足泵組調速及后期性能開發需要，其控制系統硬件構成及控制原理如圖2所示。

圖2　變頻器控制系統原理圖

1)控制原理：采集高壓蓄能器水罐中液位信號，以4 m～20 m ADC二線制電流源輸送給變頻器進行高低速自動調整，帶載能力大于250 Ω，4 m～20 m ADC對應低高轉速。

2)通訊接口：變頻器控制信號采集及輸入輸出均采用標準I/O接口，可提供5路開關量輸出、2路模擬量輸出、2路模擬量輸入、2路數字開關量輸入。

3)先進性：變頻器的拓撲結構為電壓型九電平無熔斷器(VSI-MF)設計逆變器。基于新一代功率半導體器件IGCT技術和電壓源型九電平無熔斷器設計使得變頻器具有與生俱來的高可靠性。基于直接轉矩控制(DTC)技術的ATV1200變頻器可根據工藝需求提供精確的速度和轉矩控制，為新鋼種開發提供廣闊的性能拓展空間。

2.2簡化泵組傳動方式

拆除液力耦合器，實現主電機與除磷泵的剛性直聯，以提高傳動效率。相較于液力耦合器，變頻調速傳動效率可在0.1～1.0的輸出轉速比區間穩定保持在0.88以上，如圖3所示。在節能降耗的前提下還具有廣泛的適應性和靈活性。

圖3　效率曲線

3　使用效果

3.1提高主電機電能轉化效率

變頻控制系統實測輸出電壓、電流見表1。

表1　變頻控制系統實測輸出電壓電流

按照表1所列變頻控制系統實測輸出電壓電流計算可知：

P空載=1.732×2.52×100.5×0.88=386 kW(改后)<823 kW(改前)

P滿載=1.732×5.45×297.3×0.88=2470 kW(改后)<2800 kW(改前)

綜上所述，改造后的泵組在空載及滿載狀態下，其運行功率均小于改造前。用水量小時，電機的實際效率0.62左右；用水量大時，電機的實際效率0.72左右；較改造前均有明顯提高。

3.2提升除鱗泵組綜合性能

改造完成后，按照工藝要求，將主電機的運行頻率設定為最低20 Hz、最高46 Hz。經現場測定，泵組從起始速度1600 rpm 至2600 rpm的加速啟動時間是8 s左右，曲線如圖4所示。

圖4　提速曲線

速度從2600 rpm減速到1600 rpm，時間是6 s左右，降速曲線如圖5所示。

圖5　降速曲線

通過對比可以看出，這套泵組改造后的綜合性能已位居行業前列。

3.3降低備品備件消耗

拆除液力耦合器后，不再因其產生備件消耗和油品消耗。

3.4減少設備故障和維護難度

剛性直聯傳動方式，提高找正精度，降低設備維護難度及故障率。泵組至今運行穩定，未出現任何機械故障。

4　創造經濟效益

4.1備品備件降耗創效

根據往年數據統計，液力耦合器年均備件采購及維修支出5.3萬元；液壓站設備備件及油品年平均消耗1.33萬元。兩項合計年節約6.63萬元。

4.2減少設備維護創效

改造完成后，泵組下線維護周期由2年延長至3年。年均節約維護支出1.25萬元。

4.3節電創效

根據近2年的數據統計，泵組噸鋼電耗由7.39 度降為4.3 度。參照我廠110萬噸年均產量，年均節電339.9萬度，折合人民幣180余萬元。

5　結論

高壓水除鱗泵組節能變頻改造，在保留主要設備的前提下，僅通過改變泵組控制及傳動方式便達到了預期目標。既降低改造難度及風險，又節約資金，充分挖掘出老設備潛力，實現了節能減排和經濟效益的雙豐收。

[1]劉應誠，楊乃喬.液力耦合器應用與節能技術[J].中國機械工程，2006(5)：504.

[2]謝喜平.水廠送水泵的變頻調速改造[J].中國給水排水，2004，20(6)：77-79.

[3]李飛躍，楊杰，易志強，等.高壓變頻技術在取水泵電機上的應用[J]. 中國給水排水，2007，10(23)：18-22.

[4]姚夢琳.變頻技術在電機控制中的應用研究[J].科協論壇，2011，2(25)：102-105.

[5]孫海霞，李德英，張春蕾.水泵節能變頻的運行效果分析[J].建筑節能.2010 (9)：35-36.

[6]尹冠生.理論力學教程[M].陜西：西北工業大學出版社，2004：253-279.

THE FREQUENCY CONVERSION RENOVATION FOR HIGH-PRESSURE WATER DESCALING PUMP GROUP OF 2800 mm ROLLING LINE IN ANYANG STEEL

Zhou Weiwei

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

Aiming at the problems appeared during the running of the high-pressure water descaling pump group of 2800 mm rolling line in Anyang Steel, design optimization and transformation are carried out to solve the existing high energy consumption, high failure rate and other defects. Under the premise that the high-pressure water descaling pump group can meet the needs of production, energy consumption of equipment and fault rate are reduced, outstanding economic benefits is created.

descaling pump grouphigh-voltage inverterenergy conservationfrequency conversion renovation

聯系人：周巍巍，助理工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司第二軋鋼廠；2015-12-10