基于PLC控制的中板分廠除磷系統節能優化

沈燦鋼

摘要：現代特鋼制造企業生產中，中板分廠的除磷電機一直是耗電大戶，一臺電機的耗電量就占了整個分廠電量的15.3%，而除磷時間不超過整個軋制時間的40%。現代工業（特別是軋鋼企業）中傳動系統和PLC系統已經開始廣泛應用，通過對除磷電機進行優化控制，利用PLC控制技術和先進驅動技術改變除磷電機的運轉速度，降低除磷電機的實時功率，減少除磷電機的高功率運行時間。本文控制系統通過現場實際測試，除磷系統的PLC節能優化成效顯著。

Abstract： In the production of modern special steel manufacturing enterprises， the descaling motor of medium plate branch plant has always been a major power consumer. The power consumption of one motor accounts for 15.3% of the total power consumption of the branch plant， and the dephosphorization time does not exceed 40% of the whole rolling time. Drive system and PLC system have been widely used in modern industry （especially in steel rolling enterprises）. Through optimized control of dephosphorization motor， the PLC control technology and advanced driving technology are used to change the speed of dephosphorization motor， reduce the real-time power of dephosphorization motor， and reduce the high-power running time of dephosphorization motor. The control system of this paper has passed the field test， and the PLC energy-saving optimization effect of the phosphorus removal system is remarkable.

關鍵詞：除磷;PLC;軋制;板坯;HMI

Key words： phosphorus removal;PLC;rolling;slab;HMI

中圖分類號：TH712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）27-0156-03

0 ?引言

前兩年中板分廠與興澄特鋼其他分廠、其他公司板材廠對標后發現，中板分廠的電耗一直高出后者10%～20%，這也是造成生產成本居高不下的主要因素之一。而中板分廠的耗電大戶就是大電機，可謂電機動一動，電表轉三轉。

中板分廠軋線上共有5臺大電機，其中2臺為3050V/8000kW的軋機上輥主電機和下輥主電機，同時運行，另外3臺為6000V/4300kW的除磷電機，1用2備。只要軋機在軋鋼，上下輥主電機就要按照設定的速度轉動起來，待鋼的時候也是怠速旋轉，所以這2臺主電機節能的空間很小。而除磷電機卻大不相同，在整個生產過程中，除磷時間僅僅占了不到40%。但是從2016～2018年中板分廠的用電量分析，除磷泵耗電量卻占了總電量的15.3%，達到噸鋼電耗13.91kWh。所以除磷系統的節能優化，對于整個分廠的降耗降本工作有著顯著的效果。

1 ?除磷控制系統分析

中板分廠除磷系統分為除磷箱、機上除磷和除磷泵站三部分，圖1為中板分廠除磷系統HIM界面。

除磷箱位于加熱爐出口與軋機入口之間。板坯在加熱爐預熱（1300℃以上）之后，通過輥道輸送到軋機的過程中，會在表面產生厚厚的一層氧化鐵皮。除磷箱的目的就是在高溫板坯通過時，利用位于輥道上下表面的兩排高壓噴嘴，將高壓水均勻地打在熱板坯的整個表面上，使氧化鐵皮松脫。在熱板坯離開除磷箱后，輥道加速，利用慣性使氧化鐵皮脫落，防止氧化鐵皮跟隨板坯進入軋機，在軋制過程中壓入鋼板，產生麻面，造成質量異議。

中板分廠采用的是可逆式四輥軋機，板坯軋制時間較長。在軋制過程中，板坯表面會再次產生氧化鐵皮。因此，在軋機上下工作輥的出入口再分別安裝了一組噴嘴，這四組噴嘴即為機上除磷。跟除磷箱不同的是，每塊板坯會多次打開機上除磷，再次產生氧化鐵皮的時間短，溫度低，故而較薄，所以機上除磷可以直接將氧化鐵皮沖刷掉，使其隨著除磷水直接流入沖渣溝。另外，部分板坯由于工藝需求，在軋制數道次之后，會等待板坯下降到一定溫度后再繼續軋制。此待溫時間短則數十秒，長則三五分鐘。所以待溫后的第一道次，機上除磷尤為重要，甚至可以直接決定軋制的成功與否。

位于液壓站內的除磷泵站，則是由ACS5000驅動3臺除磷大電機進而拖動除磷泵，將中板分廠0.45MPA～0.75MPA的低壓濁環水加壓到22MPA以上，然后經高壓管路連接到除磷箱和機上除磷。同時，為了保護管路，每對噴嘴前分別設有預沖閥和除磷閥。每次除磷時，先打開預沖閥，讓管路里面充滿高壓水，2秒后再打開除磷閥，高壓噴嘴噴射出高壓水，實現除磷功能。

2 ?基于PLC控制的節能優化

2.1 除磷電機的節能優化分析

耗電量公式：E=P×T ? P—功率 ?T—時間

可知，要降低除磷電機的耗電量，一方面可以從降低除磷電機的實時功率出發，另一方面可以從減少除磷電機高功率運轉的時間。除磷電機的轉速直接影響著實時功率，其最高轉速可達1494rpm，但是除磷時并不需要全部時間都全功率運行。

2.2 降低除磷電機的實時功率

2.2.1 除磷箱除磷時節能優化

除磷箱除磷時，工藝上需要保證噴射前管路壓力達到22MPa 以上，噴射時達到20MPa以上。另外，分廠的濁環水的水壓也在0.45MPa～0.75MPa波動，綜合考慮這些因素，然后經過長時間的試驗，最終把除磷箱除磷時除磷電機的轉速下降到1390rpm，優化程序如圖2所示。

從圖3“Drive Window”監控畫面可以看到，除磷電機的實時功率從4300kW變為3000kW，降低了30.2%，節能效果明顯。

2.2.2 機上除磷時節能優化

工藝上同樣要求機上除磷要保證噴射前管路壓力達到22MPA 以上，噴射時達到20MPA以上。但是與除磷箱除磷不同，機上除磷的噴嘴沒有除磷箱的多，而且管路也沒有除磷箱的粗，流量會比除磷箱除磷時小很多，因此可以把除磷電機的轉速繼續往下調整。最終把機上除磷時除磷電機的轉速調整到1370rpm。不要小看這20rpm的下調，除磷電機的功率從3000kW下降到了2700kW，再次降低了10%，優化后效果如圖4所示。

2.3 減少除磷電機高功率運轉的時間

除磷電機和除磷泵的最低轉速可以達到400rpm，但是如果速度降到400rpm時，在需要除磷時除磷泵來不及加速到1370rpm，管路壓力不夠，導致除磷不干凈。之后慢慢修改轉速，發現把不除磷時的轉速調整到600rpm時，即可以在接下來需要除磷時保證水壓，又能達到節能的目的，程序修改如圖5。

如圖6所示，節能效果非常明顯，功耗直接下降到200kW。

通過優化實驗，除磷箱除磷前，中板分廠共有2臺加熱爐（1臺預留），而每臺加熱爐為雙排布料，這就導致了不同布料的板坯出鋼后，到達除磷箱的時間會不同（共4種）。這樣，可以把除磷箱除磷前設定為600rpm，然后根據除磷泵從600rpm升速到1390rpm的時間，以及不同布料的板坯到達除磷箱的時間，設定不同的延遲升速時間，其中前2個比較塊就是確定為2號加熱爐第1排布料，值為13s。另外2號爐第2排、1號爐第1排、1號爐第2排對應的延遲時間為15s、18s、21s。

2.4 減少待溫時間

中板分廠很多鋼板需要待溫，而根據2016-2018年的2級系統生產數據統計，所有鋼板（不需要待溫的鋼板默認為待溫時間0s的平均待溫時間為30s，占鋼板軋制時間的10%，所以，除磷泵待溫時降速為600rpm也可以節約很多電量。

2.5 末道次軋制時優化除磷泵

板坯軋制的最后一道次是不需要除磷的，而末道次的軋制時間是最長的（因為鋼板最薄，而體積和寬度卻不變）。在之前的程序段中，只判斷了板坯是否在軋制，卻沒有區別對待末道次。所以，通過PLC程序設計，在板坯軋制的最后一道次提前降速除磷泵。

3 ?結語

本文經過分析和實驗，從優化節能出發，一方面降低除磷電機的實時功率，另一方面減少除磷電機高功率運轉時間，兩個方面共六點的優化。最終，一塊板坯整個軋制過程中除磷電機的轉速設定和功率。其中，820s時加熱爐出鋼，1560s時鋼板軋制結束。最終，除磷電機的噸鋼電耗也從13.91kWh下降到了11.20kWh，降幅達到19.5%。降低除磷電機的實時功率，減少除磷電機的高功率運行時間，一次又一次的試驗證明，除磷系統的PLC節能優化已經初見成效。除磷系統的節能優化，對于整個分廠的降耗降本工作有著顯著的效果。

參考文獻：

[1]劉利強，邵曉斌，李生亮.包鋼板廠高壓水除磷電機故障分析及處理[J].冶金設備，2018，增（2）：252-254.

[2]馬昊.我國軋鋼工藝的節能方向及途徑探究[J].新型工業化裝備維修技術，2018，8（2）：42-84.

[3]葉明秋.軋鋼車間的節電[J].冶金動力，2011，19（1）：18-19.

[4]曹冠之.從熱工測定結果看軋鋼加熱爐的節能[J].湖南冶金，2013，28（4）：15-16.

[5]陸言輝.我公司軋鋼加熱爐節能途徑淺見[J].柳鋼科技，2012，30（1）：25-26.

[6]詹樂音，張敏芝.中小城鎮污水處理廠生物脫氮除磷工藝選擇淺析[J].價值工程，2013，32（23）：42-43.