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高压变频器在轧钢厂浊环系统及加热炉系统的应用 |
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作者：北京利德华福电气技术有限公司 |
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一、轧钢工艺水系统及加热炉简介
轧钢厂生产用水均采用循环用水系统，循环水系统共分为三个部分，即加热炉、净环、浊环水系统。从工艺上讲轧钢工序整个循环水系统按用水后水质的情况可分为净环系统和浊环系统两大部分。加热炉和设备的冷却方式为间接冷却, 使用后的水仅水温升高，水质未被污染，属净环系统；轧机的冷却方式为直接冷却,使用后的水不仅水温升高，水质已被氧化铁皮及油类等污染，属浊环系统，其中冲洗氧化铁皮用水属该系统中的小循环系统，该用水仅对水压有要求。
轧钢浊环水系统用水量是变量，而水处理供水泵为定量泵，全部依靠持压泄压阀泄水来维持系统稳定，造成能源浪费。因此需对轧钢水处理作业区浊环水泵部分电机进行变频改造，这样既节水又节能。
陕西龙门钢铁集团轧钢厂浊环系统及加热炉系统中的高压风机、水泵，其输出功率不能随生产负荷变化而变化，只有通过改变风门、档板、阀门的开度来调整，这导致负载运行效率较低，并且有大量能量浪费在节流损失中。
图1 轧钢工序水循环流程示意图
为了提高棒材水系统与轧钢加热炉系统的生产效率、降低能耗以及系统的综合可靠性，旋流池水系统棒材厂、线材厂高压水泵与轧钢加热炉空烟风机、煤烟风机的驱动系统拟采用全数字交流高压变频调速系统实施控制。高压变频调速系统是直接串联于高压电源与高压电机之间的变频调速设备，以其现场改造、安装方便以及安全、良好的运行性能正快速的替代其它调速产品，全面的进入到冶金行业的节能改造项目中。利用高压变频调速技术的目的是改变设备的运行速度，以实现调节现场工况所需风压、风量、水泵流量的大小，大大提高了系统的自动化程度，既满足了生产要求，又达到了节约电能，并且减少了因调节挡板、阀门而造成挡板和管道的磨损以及因经常停机检修所造成的经济损失，同时使维护量大大降低，为钢铁企业带来了可观的效益，切实响应了国家节能降耗的号召。
二、变频调速系统应用方案
本次改造主要涉及以下几方面：系统主回路控制方案、变频器系统控制方案、现场安装、及变频器的散热方案。相关系统介绍如下：
2.1 系统主回路控制方案
针对棒材厂旋流池水系统高压水泵、净环水泵与棒材加热炉空烟风机、煤烟风机、高线加热炉煤烟风机、空烟风机、助燃风机上（共八台高压变频器），采用主回路如下：
图2 变频调速系统主回路
注：QF1、M为现场原有设备。由于负载都有备用所以采用一拖一不带旁路控制系统，在满足可靠性的同时减少了投资成本。
图2中TF为高压变频器，采用利德华福品牌完美无谐波系列高压变频器。该系列变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，现场不需要更换电机。
2.2 变频器控制系统
该控制系统主要用于控制浊环泵房9台水泵和旋流井中2台水泵、及相关管道压力、流量、液位等的远程/就地的自动和手动控制功能。
2.2.1控制系统架构图
图3 控制系统结构图
2.2.2控制系统简介
该控制系统主要由施耐德PLC实现所有水泵、压力、流量、液位等实时数据的采集和控制等功能，并对变频器进行实时监视、控制和调节。所有控制功能可以通过远程或就地方式实现相关设备的自动或手动控制。PLC采集到的所有数据又可以通过网络实时传输到上位监控计算机进行数据显示、记录、管理、打印、控制和参数调节功能。
整个控制系统由两层网络结构组成：现场控制层和监控层。
现场控制层主要用于连接PLC和变频器设备，用于实现PLC对变频器实时运行状态数据的采集和对变频器的控制和调节功能。
现场控制层主要由两种方式连接PLC和变频器设备：Profibus DP现场总线和硬接线方式。
监控层主要通过Modbus TCP/IP工业以太网网络连接PLC和浊环泵房、轧线主控室的监控计算机，用于实现监控计算机对现场所有设备及仪表数据的实时采集、监视、记录、管理、报警；对所有设备的实时远程自动控制、调节等功能。
由于浊环泵房和轧线主控室距离较远，因此，采用多模光纤以太网交换机设备用于连接所有监控计算机。
2.2.3控制模式
为了保证控制系统的正常、可靠运行，控制系统采用多种控制模式实现对现场水泵的实时监视和控制功能：
远程自动：通过上位计算机实现对现场设备的实时数据采集和自动控制、调节等功能；
远程手动：通过上位计算机实现对现场设备的实时数据采集和手动控制、调节等功能；
变频器手动：变频器上提供了操作面板可以实现对水泵的现场手动控制、调节等功能；
就地手动：通过变频器控制柜的手动控制按钮可以实现对水泵的现场手动控制、调节等功能；
2.2.4profibus DP控制方式
Profibus DP现场总线：PLC和变频器之间采用Profibus DP现场总线实现实时的数据交换功能。该方式可以通过现场总线将变频器的所有相关状态信息实时传输到PLC和上位监控计算机，并将上位计算机或PLC下发的控制和调节指令实时传送到变频器，实现对现场变频器的所有控制功能。
利德华福变频器兼容实现Profibus DP通讯协议，只要将Profibus DP通讯电缆接到变频器的PLC通讯模块接口上通过在变频器人机界面中简单的参数设置便可以实现正常通讯。
2.2.5硬接线控制方式
硬接线方式：该方式是ProfibusDP现场总线的备用方式，如果Profibus DP总线发生故障时，依然可以通过硬接线方式实现对现场设备的所有监视和控制功能。
高压变频器和现场DCS控制系统硬接线连接的接口如下：
A、变频器提供的开关量输出8路：
(1) 变频器待机状态指示：表示变频器已待命，具备启动条件。
(2) 变频器运行状态指示：表示变频器正在运行。
(3) 变频器控制状态指示：节点闭合表示变频器控制权为现场远程控制；节点断开表示变频器控制权为本地变频器控制。
(4) 变频器轻故障指示：表示变频器产生报警信号。
(5) 变频器重故障指示：表示变频器发生重故障，立即关断输出切断高压。
(6) 高压紧急分断：变频器出现重故障时，自动分断进线高压开关。
(7) 高压合闸允许：变频器自检通过或系统处于工频状态，允许上高压。
(8) 电机在工频旁路：表示电动机处于工频旁路状态。
以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为AC220V、3A/DC24V，1A。
B、DCS提供给变频器的开关量有4路：
(1) 启动指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器开始运行。
(2) 停机指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器正常停机。
(3) 高压就绪：干接点，高压开关处于分断时，辅助节点打开，变频器输入已带电，变频器可以启动。
(4) 高压开关分闸信号：高压开关处于分断时，辅助节点闭合；1个。
C、变频器提供的模拟量2路：
(1) 变频器输出转速
(2) 变频器电机电流
变频器提供2路4～20mADC的电流源输出（变频器供电），带负载能力均为250Ω。
D、DCS提供给变频器的模拟量1路：
(1) 变频器转速给定值
现场提供1路4～20mADC二线制电流源输出，带载能力必须大于250Ω，4～20mADC对应转速低高限，须呈线性关系。
2.3 柜体安装
(1) 变频器设备安装时，应考虑通风散热及操作空间的需要，整套装置背面离墙距离不得小于1000mm，装置顶部与屋顶空间距离不得小于500mm，装置正面离墙距离不得小于2000mm，装置侧面离墙必须保留不小于1000 mm的距离，方便安装调试及维护人员通过。
(2) 所有柜体应牢固安装于基座之上，并和厂房大地可靠连接。接地端子PE也应接至厂房大地。各柜体之间应相互连接成为一个整体。
(3)高压变频器采用一拖一系统，无旁路柜，外形尺寸完全相同，如下图：
图4 变频器安装尺寸图
2.4 散热方案
2.4.1散热方案的对比介绍
高压变频器属于大型电子设备，在运行过程中本身的能量消耗较大，变频器消耗的能量全部转换为热量，通过变频器的冷却风机将热量带到变频器本体之外，由于这部分热量绝对值较大，一般达到几十kW左右，如果不采取措施妥善处理，可能会使变频器运行环境温度过高，影响变频器的正常运行。
目前常见的解决办法主要有三个：
1）风道开放式冷却
安装风罩收集变频器排出的热风，通过风道将热风直接排放到变频器安装的环境以外，优点是施工方便，造价低；缺点运行稳定性依赖于当地环境；
2）空调式密闭冷却
在安装变频器的房间内安装空调，利用空调将环境温度降下来，优点是施工方便，维护量低，使变频器的运行环境良好；缺点是前期费用投入较高，长期运行耗能高；
3）空-水冷密闭冷却
安装空水冷却器，其作用与空调类似，优点是可以利用现场已有的资源（现场的冷却水），设备运营成本是同等热交换功率空调的1/3-1/4，运行维护费用低，使变频器的运行环境良好；缺点是前期费用投入高，安装调试相对复杂。
综合比较以上三种方案，应该说各有其优缺点，用户一般会根据自身的特点和要求选择最适合自身条件的方案来实行。
2.4.2 符合现场实际情况的高效散热方案
按照高压变频器运行效率96％进行计算：变频器的最大散热功率为：变频额定功率×4％。根据现场的实际情况，综合冷却系统的投资和运营成本，现提出下面的冷却方案：
1） 风道开放式冷却
(1) 冷却过程
冷风经变频室入口滤网进入变频器，经过对机体进行冷却后，再由变频器风道出风口将热风排出。
(2) 安装方式
风道开放式冷却施工比较简单，变频器的热风通过风罩进行采集，只需在现场制作风道，利用风道将热风排出室外；变频室的墙壁上另外开两个口，安装上滤网，作为进风孔。如下图所示：
图5 变频器风道冷却安装图
根据现场实际情况实际空间各变频器布置如下：
两台280kW/10kV净环水泵,拟采用一套高压变频器，变频器房间建在净环水泵后面空地处，房屋如下：
图6 单台变频器一个房间并列图
棒材厂旋流池系统三台高压水泵电机（315kV/10kV）需要变频改造两台水泵，一台高压变频器室建在旋流池地表面旁边，图纸如上。
棒材厂旋流池净环水系统另一台电机；棒线加热炉煤烟风机、空烟风机；高线加热炉风机、煤烟引风机、空烟引风机，总共六台设备布置在一间新建（新建变频器房间基础高度在60mm左右有室内电缆沟）,变频器室如下图：
图6 变频器室内布置图
三、应用效果分析
由于现场运行中负载调节频率较高，根据同工况经验值与现场采集的数据计算所得以下数据。
3.1 工频状态下的耗电量计算
Pd：电动机功率 ；Cd：年耗电量值 ； U：电动机输入电压 ；I：电动机输入电流 ；cosφ：功率因子； T：年运行时间；δ：单负荷运行时间百分比
电机耗电功率计算公式：Pd =  ×U×I×cosφ …①
累计年耗电量公式：Cd= T×∑（Pd×δ）…②
根据计算公式①②，通过计算可得出工频情况下单台各负载的耗电量如下：
3.2变频状态下的年耗电量计算
对于普通风机、水泵负载，变频状态下的计算如下：
Pd′：电动机轴功率 ； P′：风机（泵）轴功率 ；ηd：电动机效率 ；ηb：变频器实际效率 ；Q：风机（泵）出口流量 ；H：风机（泵）出、入口压力差，λ:管网特性系数。
由轴功率：P′= λ* Q * H …⑥，
代入风机（泵）的额定值，得出其管网特性系数λ。
将风机（泵）在不同负载下的λ 、压力、流量值分别代入上式，可以求得P' 轴功率。
电动机效率ηd与电动机负荷率β之间的关系如下图一所示。
变频器效率ηb与系统负荷率β之间的关系如下图二所示。
则网侧消耗功率：
累计年耗电量公式：Cb= T×∑（Pb×δ）…⑧
根据计算公式，通过计算可得出变频情况下单台各负载的耗电量如下：
3.3节能计算
年节电量：ΔC= Cd－Cb …⑨
节电率=（ΔC/Cd）×100% …⑩
变频改造后，根据公式⑨⑩，计算出单台负载上变频后与工频相比每年的节电情况如下：
注：1)、以上计算均属于理论计算值，存在±3%的偏差；
2）、设备年运行时间按照8000小时计算。
四、应用高压变频调速系统产生的其他效益
4.1 维护量减少
采用变频调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速使系统在接近额定状态下工作，通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了降低电机的转速。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件的寿命；同时极大的减轻了对管道的冲击，有效延长了管道的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。
4.2 工作强度降低
由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证
4.3 减少了对电网的冲击
采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
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(1/10/2014) |
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