一、軋鋼工藝水系統(tǒng)及加熱爐簡介
軋鋼廠生產(chǎn)用水均采用循環(huán)用水系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)共分為三個(gè)部分，即加熱爐、凈環(huán)、濁環(huán)水系統(tǒng)。從工藝上講軋鋼工序整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)按用水后水質(zhì)的情況可分為凈環(huán)系統(tǒng)和濁環(huán)系統(tǒng)兩大部分。加熱爐和設(shè)備的冷卻方式為間接冷卻,使用后的水僅水溫升高，水質(zhì)未被污染，屬凈環(huán)系統(tǒng)；軋機(jī)的冷卻方式為直接冷卻,使用后的水不僅水溫升高，水質(zhì)已被氧化鐵皮及油類等污染，屬濁環(huán)系統(tǒng)，其中沖洗氧化鐵皮用水屬該系統(tǒng)中的小循環(huán)系統(tǒng)，該用水僅對(duì)水壓有要求。
圖1軋鋼工序水循環(huán)流程示意圖
軋鋼濁環(huán)水系統(tǒng)用水量是變量，而水處理供水泵為定量泵，全部依靠持壓泄壓閥泄水來維持系統(tǒng)穩(wěn)定，造成能源浪費(fèi)。因此需對(duì)軋鋼水處理作業(yè)區(qū)濁環(huán)水泵部分電機(jī)進(jìn)行變頻改造，這樣既節(jié)水又節(jié)能。
陜西龍門鋼鐵集團(tuán)軋鋼廠濁環(huán)系統(tǒng)及加熱爐系統(tǒng)中的高壓風(fēng)機(jī)、水泵，其輸出功率不能隨生產(chǎn)負(fù)荷變化而變化，只有通過改變風(fēng)門、檔板、閥門的開度來調(diào)整，這導(dǎo)致負(fù)載運(yùn)行效率較低，并且有大量能量浪費(fèi)在節(jié)流損失中。
為了提高棒材水系統(tǒng)與軋鋼加熱爐系統(tǒng)的生產(chǎn)效率、降低能耗以及系統(tǒng)的綜合可靠性，旋流池水系統(tǒng)棒材廠、線材廠高壓水泵與軋鋼加熱爐空煙風(fēng)機(jī)、煤煙風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)擬采用全數(shù)字交流高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)施控制。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是直接串聯(lián)于高壓電源與高壓電機(jī)之間的變頻調(diào)速設(shè)備，以其現(xiàn)場改造、安裝方便以及安全、良好的運(yùn)行性能正快速的替代其它調(diào)速產(chǎn)品，全面的進(jìn)入到冶金行業(yè)的節(jié)能改造項(xiàng)目中。利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的目的是改變設(shè)備的運(yùn)行速度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場工況所需風(fēng)壓、風(fēng)量、水泵流量的大小，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，既滿足了生產(chǎn)要求，又達(dá)到了節(jié)約電能，并且減少了因調(diào)節(jié)擋板、閥門而造成擋板和管道的磨損以及因經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)使維護(hù)量大大降低，為鋼鐵企業(yè)帶來了可觀的效益，切實(shí)響應(yīng)了國家節(jié)能降耗的號(hào)召。
二、變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用方案
本次改造主要涉及以下幾方面：系統(tǒng)主回路控制方案、變頻器系統(tǒng)控制方案、現(xiàn)場安裝、及變頻器的散熱方案。相關(guān)系統(tǒng)介紹如下：
2.1系統(tǒng)主回路控制方案
針對(duì)棒材廠旋流池水系統(tǒng)高壓水泵、凈環(huán)水泵與棒材加熱爐空煙風(fēng)機(jī)、煤煙風(fēng)機(jī)、高線加熱爐煤煙風(fēng)機(jī)、空煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)上（共八臺(tái)高壓變頻器），采用主回路如下：
圖2變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路
注：qf1、m為現(xiàn)場原有設(shè)備。由于負(fù)載都有備用所以采用一拖一不帶旁路控制系統(tǒng)，在滿足可靠性的同時(shí)減少了投資成本。
圖2中tf為高壓變頻器，采用利德華福品牌無諧波系列高壓變頻器。該系列變頻器采用若干個(gè)低壓pwm變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt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(jī)，現(xiàn)場不需要更換電機(jī)。
2.2變頻器控制系統(tǒng)
該控制系統(tǒng)主要用于控制濁環(huán)泵房9臺(tái)水泵和旋流井中2臺(tái)水泵、及相關(guān)管道壓力、流量、液位等的遠(yuǎn)程/就地的自動(dòng)和手動(dòng)控制功能。
2.2.1控制系統(tǒng)架構(gòu)圖
圖3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2.2控制系統(tǒng)簡介
該控制系統(tǒng)主要由施耐德plc實(shí)現(xiàn)所有水泵、壓力、流量、液位等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和控制等功能，并對(duì)變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。所有控制功能可以通過遠(yuǎn)程或就地方式實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)或手動(dòng)控制。plc采集到的所有數(shù)據(jù)又可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔槐O(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、記錄、管理、打印、控制和參數(shù)調(diào)節(jié)功能。
整個(gè)控制系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成：現(xiàn)場控制層和監(jiān)控層。
現(xiàn)場控制層主要用于連接plc和變頻器設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)plc對(duì)變頻器實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和對(duì)變頻器的控制和調(diào)節(jié)功能。
現(xiàn)場控制層主要由兩種方式連接plc和變頻器設(shè)備：profibusdp現(xiàn)場總線和硬接線方式。
監(jiān)控層主要通過modbustcp/ip工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接plc和濁環(huán)泵房、軋線主控室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場所有設(shè)備及儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)視、記錄、管理、報(bào)警；對(duì)所有設(shè)備的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)等功能。
由于濁環(huán)泵房和軋線主控室距離較遠(yuǎn)，因此，采用多模光纖以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備用于連接所有監(jiān)控計(jì)算機(jī)。
2.2.3控制模式
為了保證控制系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行，控制系統(tǒng)采用多種控制模式實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場水泵的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制功能：
l遠(yuǎn)程自動(dòng)：通過上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)等功能；
l遠(yuǎn)程手動(dòng)：通過上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和手動(dòng)控制、調(diào)節(jié)等功能；
l變頻器手動(dòng)：變頻器上提供了操作面板可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的現(xiàn)場手動(dòng)控制、調(diào)節(jié)等功能；
l就地手動(dòng)：通過變頻器控制柜的手動(dòng)控制按鈕可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的現(xiàn)場手動(dòng)控制、調(diào)節(jié)等功能；
2.2.4profibusdp控制方式
profibusdp現(xiàn)場總線：plc和變頻器之間采用profibusdp現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換功能。該方式可以通過現(xiàn)場總線將變頻器的所有相關(guān)狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)絧lc和上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，并將上位計(jì)算機(jī)或plc下發(fā)的控制和調(diào)節(jié)指令實(shí)時(shí)傳送到變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場變頻器的所有控制功能。
利德華福變頻器兼容實(shí)現(xiàn)profibusdp通訊協(xié)議，只要將profibusdp通訊電纜接到變頻器的plc通訊模塊接口上通過在變頻器人機(jī)界面中簡單的參數(shù)設(shè)置便可以實(shí)現(xiàn)正常通訊。
2.2.5硬接線控制方式
硬接線方式：該方式是profibusdp現(xiàn)場總線的備用方式，如果profibusdp總線發(fā)生故障時(shí)，依然可以通過硬接線方式實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的所有監(jiān)視和控制功能。
高壓變頻器和現(xiàn)場dcs控制系統(tǒng)硬接線連接的接口如下：
a、變頻器提供的開關(guān)量輸出8路：
(1)變頻器待機(jī)狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動(dòng)條件。
(2)變頻器運(yùn)行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運(yùn)行。
(3)變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點(diǎn)閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制；節(jié)點(diǎn)斷開表示變頻器控制權(quán)為本地變頻器控制。
(4)變頻器輕故障指示：表示變頻器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
(5)變頻器重故障指示：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關(guān)斷輸出切斷高壓。
(6)高壓緊急分?jǐn)啵鹤冾l器出現(xiàn)重故障時(shí)，自動(dòng)分?jǐn)噙M(jìn)線高壓開關(guān)。
(7)高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)，允許上高壓。
(8)電機(jī)在工頻旁路：表示電動(dòng)機(jī)處于工頻旁路狀態(tài)。
以上所有數(shù)字量采用無源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時(shí)有效。除特別注明外，接點(diǎn)容量均為ac220v、3a/dc24v，1a。
b、dcs提供給變頻器的開關(guān)量有4路：
(1)啟動(dòng)指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時(shí)有效，變頻器開始運(yùn)行。
(2)停機(jī)指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時(shí)有效，變頻器正常停機(jī)。
(3)高壓就緒：干接點(diǎn)，高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r(shí)，輔助節(jié)點(diǎn)打開，變頻器輸入已帶電，變頻器可以啟動(dòng)。
(4)高壓開關(guān)分閘信號(hào)：高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r(shí)，輔助節(jié)點(diǎn)閉合；1個(gè)。
c、變頻器提供的模擬量2路：
(1)變頻器輸出轉(zhuǎn)速
(2)變頻器電機(jī)電流
變頻器提供2路4～20madc的電流源輸出（變頻器供電），帶負(fù)載能力均為250ω。
d、dcs提供給變頻器的模擬量1路：
(1)變頻器轉(zhuǎn)速給定值
現(xiàn)場提供1路4～20madc二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250ω，4～20madc對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速低高限，須呈線性關(guān)系。
2.3柜體安裝
(1)變頻器設(shè)備安裝時(shí)，應(yīng)考慮通風(fēng)散熱及操作空間的需要，整套裝置背面離墻距離不得小于1000mm，裝置頂部與屋頂空間距離不得小于500mm，裝置正面離墻距離不得小于2000mm，裝置側(cè)面離墻必須保留不小于1000mm的距離，方便安裝調(diào)試及維護(hù)人員通過。
(2)所有柜體應(yīng)牢固安裝于基座之上，并和廠房大地可靠連接。接地端子pe也應(yīng)接至廠房大地。各柜體之間應(yīng)相互連接成為一個(gè)整體。
(3)高壓變頻器采用一拖一系統(tǒng)，
無旁路柜，外形尺寸*相同，如下圖：
圖4變頻器安裝尺寸圖
2.4散熱方案
2.4.1散熱方案的對(duì)比介紹
高壓變頻器屬于大型電子設(shè)備，在運(yùn)行過程中本身的能量消耗較大，變頻器消耗的能量全部轉(zhuǎn)換為熱量，通過變頻器的冷卻風(fēng)機(jī)將熱量帶到變頻器本體之外，由于這部分熱量值較大，一般達(dá)到幾十kw左右，如果不采取措施妥善處理，可能會(huì)使變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度過高，影響變頻器的正常運(yùn)行。
目前常見的解決辦法主要有三個(gè)：
1）風(fēng)道開放式冷卻
安裝風(fēng)罩收集變頻器排出的熱風(fēng)，通過風(fēng)道將熱風(fēng)直接排放到變頻器安裝的環(huán)境以外，優(yōu)點(diǎn)是施工方便，造價(jià)低；缺點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性依賴于當(dāng)?shù)丨h(huán)境；
2）空調(diào)式密閉冷卻
在安裝變頻器的房間內(nèi)安裝空調(diào)，利用空調(diào)將環(huán)境溫度降下來，優(yōu)點(diǎn)是施工方便，維護(hù)量低，使變頻器的運(yùn)行環(huán)境良好；缺點(diǎn)是前期費(fèi)用投入較高，長期運(yùn)行耗能高；
3）空-水冷密閉冷卻
安裝空水冷卻器，其作用與空調(diào)類似，優(yōu)點(diǎn)是可以利用現(xiàn)場已有的資源（現(xiàn)場的冷卻水），設(shè)備運(yùn)營成本是同等熱交換功率空調(diào)的1/3-1/4，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，使變頻器的運(yùn)行環(huán)境良好；缺點(diǎn)是前期費(fèi)用投入高，安裝調(diào)試相對(duì)復(fù)雜。
綜合比較以上三種方案，應(yīng)該說各有其優(yōu)缺點(diǎn)，用戶一般會(huì)根據(jù)自身的特點(diǎn)和要求選擇自身?xiàng)l件的方案來實(shí)行。
2.4.2符合現(xiàn)場實(shí)際情況的散熱方案
按照高壓變頻器運(yùn)行效率96％進(jìn)行計(jì)算：變頻器的zui大散熱功率為：變頻額定功率×4％。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，綜合冷卻系統(tǒng)的投資和運(yùn)營成本，現(xiàn)提出下面的冷卻方案：
1）風(fēng)道開放式冷卻
(1)冷卻過程
冷風(fēng)經(jīng)變頻室入口濾網(wǎng)進(jìn)入變頻器，經(jīng)過對(duì)機(jī)體進(jìn)行冷卻后，再由變頻器風(fēng)道出風(fēng)口將熱風(fēng)排出。
(2)安裝方式
風(fēng)道開放式冷卻施工比較簡單，變頻器的熱風(fēng)通過風(fēng)罩進(jìn)行采集，只需在現(xiàn)場制作風(fēng)道，利用風(fēng)道將熱風(fēng)排出室外；變頻室的墻壁上另外開兩個(gè)口，安裝上濾網(wǎng)，作為進(jìn)風(fēng)孔。如下圖所示：
圖5變頻器風(fēng)道冷卻安裝圖
根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況實(shí)際空間各變頻器布置如下：
兩臺(tái)280kw/10kv凈環(huán)水泵,擬采用一套高壓變頻器，變頻器房間建在凈環(huán)水泵后面空地處，房屋如下：
圖6單臺(tái)變頻器一個(gè)房間并列圖
棒材廠旋流池系統(tǒng)三臺(tái)高壓水泵電機(jī)（315kv/10kv）需要變頻改造兩臺(tái)水泵，一臺(tái)高壓變頻器室建在旋流池地表面旁邊，圖紙如上。
棒材廠旋流池凈環(huán)水系統(tǒng)另一臺(tái)電機(jī)；棒線加熱爐煤煙風(fēng)機(jī)、空煙風(fēng)機(jī)；高線加熱爐風(fēng)機(jī)、煤煙引風(fēng)機(jī)、空煙引風(fēng)機(jī)，總共六臺(tái)設(shè)備布置在一間新建（新建變頻器房間基礎(chǔ)高度在60mm左右有室內(nèi)電纜溝）,變頻器室如下圖：
圖6變頻器室內(nèi)布置圖
三、應(yīng)用效果分析
由于現(xiàn)場運(yùn)行中負(fù)載調(diào)節(jié)頻率較高，根據(jù)同工況經(jīng)驗(yàn)值與現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)計(jì)算所得以下數(shù)據(jù)。
3.1工頻狀態(tài)下的耗電量計(jì)算
pd：電動(dòng)機(jī)功率；cd：年耗電量值；u：電動(dòng)機(jī)輸入電壓；i：電動(dòng)機(jī)輸入電流；cosφ：功率因子；t：年運(yùn)行時(shí)間；δ：單負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比
電機(jī)耗電功率計(jì)算公式：pd=×u×i×cosφ…①
累計(jì)年耗電量公式：cd=t×∑（pd×δ）…②
根據(jù)計(jì)算公式①②，通過計(jì)算可得出工頻情況下單臺(tái)各負(fù)載的耗電量如下：
3.2變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算
對(duì)于普通風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載，變頻狀態(tài)下的計(jì)算如下：
pd′：電動(dòng)機(jī)軸功率；p′：風(fēng)機(jī)（泵）軸功率；：電動(dòng)機(jī)效率；
：變頻器實(shí)際效率；q：風(fēng)機(jī)（泵）出口流量；h：風(fēng)機(jī)（泵）出、入口壓力差，λ:管網(wǎng)特性系數(shù)。
由軸功率：p′=…⑥，
代入風(fēng)機(jī)（泵）的額定值，得出其管網(wǎng)特性系數(shù)λ。
將風(fēng)機(jī)（泵）在不同負(fù)載下的、壓力、流量值分別代入上式，可以求得軸功率。
電動(dòng)機(jī)效率與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如下圖一所示。
變頻器效率與系統(tǒng)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如下圖二所示。
綜合考慮到電動(dòng)機(jī)效率和變頻器的效率
則網(wǎng)側(cè)消耗功率：…⑦
累計(jì)年耗電量公式：cb=t×∑（pb×δ）…⑧
根據(jù)計(jì)算公式，通過計(jì)算可得出變頻情況下單臺(tái)各負(fù)載的耗電量如下：
3.3節(jié)能計(jì)算
年節(jié)電量：δc=cd－cb…⑨
節(jié)電率=（δc/cd）×…⑩
變頻改造后，根據(jù)公式⑨⑩，計(jì)算出單臺(tái)負(fù)載上變頻后與工頻相比每年的節(jié)電情況如下：
注：1)、以上計(jì)算均屬于理論計(jì)算值，存在±3%的偏差；
2）、設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間按照8000小時(shí)計(jì)算。
四、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效益
4.1維護(hù)量減少
采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時(shí)可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作，通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件的壽命；同時(shí)極大的減輕了對(duì)管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。
4.2工作強(qiáng)度降低
由于調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，*實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營提供了可靠保證4.3減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊
采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長，對(duì)電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。