淺談豎井鑄造中恒壓供水系統調試遇到的問題和改進方法

王飛 仲偉兵

摘要：介紹了基于PLC控制的變頻恒壓供水自平衡系統在豎井鑄造中的應用，闡述了系統調試生產中遇到的一些問題和改進方法，可供同類設備調試時借鑒。該控制系統緊密結合生產工藝，保證了控制精度和運行可靠性。

關鍵詞：恒壓供水;水錘現象;兩泵搶水;氣阻現象

0? ? 引言

豎井鑄造設備在熔鑄鋁行業的關鍵設備、鑄造系統的好壞對鑄棒品質起著決定性的作用。鑄造冷卻水系統如果波動不穩，將會影響鑄棒的冷卻效果，輕則在鑄棒表面產生氫氧化鋁[Al（OH）3]和三氧化二鋁（Al2O3）氧化層，重則造成鑄棒的粗晶和偏析層增大，從而導致鑄造失敗，所以保證冷卻水流量的穩定性顯得尤其重要。筆者就在鑄造調試生產中遇到的恒壓供水系統問題及其改進措施加以分析總結，以便對設備進行優化應用。

1? ? 恒壓供水系統硬件設計

（1）我公司使用的鑄井冷卻水系統選用2臺450 m3/h，揚程30 m，最高供水壓力0.4 MPa，臥式直連離心水泵并聯組合，通過架空明裝管道保證冷卻水供應，泵房距鑄造井管路距離約90 m，管裝高度9 m。其控制系統選用的是西門子品牌S7-200 PLC控制的ABB510系列變頻器與壓力變送器共同構成的PID恒壓控制自平衡系統，如圖1所示。

（2）其工作原理是在鑄造生產中，根據生產的模盤號和牌號不同，選用不同的工藝配方，對應不同的水流量。

1）在鑄造小截面棒料時，僅開一臺泵就能滿足生產工藝對冷卻水的要求，程序自動由變頻器控制1#水泵進行恒壓供水，系統根據設置的管道運行壓力，經PID運算由PLC輸出4～20 mA信號自動調節變頻器輸出頻率。

2）當鑄造大截面棒料用水量增加時，1#泵變頻器會自動增大輸出頻率，若頻率在0～50 Hz變化就能滿足生產需求，則使用1#泵進行恒壓供水。若1#泵頻率已達50 Hz，但是仍不能滿足使用需求，則將1#泵自動切換到工頻運行，同時將變頻器自動切換到2#泵，由2#泵補充進行恒壓供水。

3）當需求流量降低時，由PLC進行PID運算輸出4～20 mA信號來調節降低變頻器運行頻率，當變頻器運行頻率降低至切換值時，供水壓力仍大于設定值，則PLC自動給1#泵停止發送信號，同時迅速提高2#泵運轉頻率，并進行恒壓供水控制。

2? ? 調試生產中遇到的問題

本工程設計中，從設計思想和目標上分析，恒壓供水理論無論是在工藝需求，還是在節能環保方面都適合當下豎井鑄造生產工藝，但隨著恒壓供水系統安裝調試的深入，一系列的調試問題顯現了出來，具體分析如下：

2.1? ? 水泵出水流量較額定流量不足

當鑄造系統設置流量330 m3/h（合5 500 L/min）時，單臺泵出水流量只有250 m3/h，未達到單臺泵設計要求，與設計流量450 m3/h相差較大，需啟動2#泵同時供水方可滿足工藝需求，造成較大的能耗浪費。如圖2所示，閥門、過濾器造成漏氣和水阻。

2.2? ? 兩泵搶水

當兩臺泵一臺工頻一臺變頻同時運行時，因兩臺泵出口設置單向閥，其開啟動作受前后壓差影響，工頻泵上壓快于變頻泵，且轉速高于變頻泵，導致變頻泵單向閥無法打開，進而造成水泵憋壓，產生過熱及氣蝕問題。如圖3所示，兩泵出口單向閥相同，但兩泵出水壓力不同，造成搶水現象。

2.3? ? 水錘現象

（1）當鑄造進入預檢查期，遠程信號會啟動水泵，但此時鑄造系統進水閥并未打開，管道中已形成空氣壓力，水的急劇流動，沖擊鑄造系統管路和閥門，形成水錘和氣錘現象，導致管路漏水。

（2）當系統停泵時，鑄造冷卻水進口閥門又未及時關閉，停泵集聚斷流造成在泵出口單向閥附近形成水錘現象。經測量瞬時壓力達到0.8 MPa，造成管路閥門、法蘭間橡膠墊片爆出漏水。

2.4? ? 氣阻現象

我公司鑄造冷卻水管路為架空安裝，架空高度9 m，管線長度約90 m，當冷卻泵加壓時，由于空氣的密度比水小，空氣集聚在管道中高點無法排出形成氣阻，從而降低管道水流截面，導致鑄造水流量不足和波動異常。

3? ? 改進方案

3.1? 水泵出水不足的處理方法

筆者調查了冷卻水系統的配型和管路走向等因素，發現水泵進水端連接點較多，管道過濾器目數較細是造成水泵出水不足的主要原因。經團隊研究，得出如下改進方案：

（1）取消進水端管道過濾器：

1）本身水池上塔循環系統已含過濾器，可有效阻止大顆粒雜質;

2）我公司冷卻水池為全密封玻磚貼面水池，并定期清理;

3）鑄造系統本身自帶自潔式反沖洗過濾器，可有效阻止泥沙和懸浮物。

（2）取消引水罐進水閥門，以排除漏氣和閥阻。

改進后如圖4所示。

以上改進完成后，單泵出水流量可達420 m3/h（合7 000 L/min），滿足鑄造工藝用水要求，避免能源浪費。

3.2? ? 兩泵搶水的處理方法

兩泵搶水問題發生后，筆者通過現場調查，查閱文獻資料發現，解決母管供水系統中兩泵搶水問題也是困擾工程設備人員的一大難題，其解決方法是選用凝泵、給泵、凝補泵、定冷泵等調節方式。但筆者認為，對于特定的單一供水系統，降低變頻泵單向閥的開啟壓力，即增加彈簧的舒張力可避免兩泵搶水現象，并驗證實施。

3.3? ? 水錘的處理方法

筆者通過查閱資料，總結分析管路結構得出，我公司鑄造水系統水錘現象是啟泵和停泵瞬間水流的急劇流動造成的。其解決方法如下：

（1）當鑄造結束停泵時，自動控制方面先關閉鑄造冷卻水閥再停泵，避免因水斷流管道進氣造成的反向水錘;

（2）當鑄造開始啟泵時，先微開鑄造水閥門，使得管道中氣體得以排空，避免水流急劇變化慣性推動造成的水錘;

（3）延長變頻器的加速和減速時間，避免鑄造初期和結束期水流的急劇變化。

3.4? ? 氣阻的處理方法

形成氣阻的原因是空氣在管路最高點形成集聚且無法排出，處理方法是在最高點設置排氣孔，當水泵開啟時自動打開排氣孔排氣。如圖5所示，在管道最高點拐角處設置排氣孔。

4? ? 結語

機電安裝調試是發現問題并解決問題的過程，完美的設計方案也可能因為安裝、控制的不同，造成不同的結果。本次調試平衡解決了恒壓供水和恒流量問題，解決了水錘、氣阻、兩泵搶水等未曾預見的問題，同時提高了水泵的工作效率，節約了能源。

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收稿日期：2020-12-25

作者簡介：王飛（1985—），男，江蘇沭陽人，機械工程師，研究方向：機電維修與項目管理。