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。因此需對軋鋼水處理作業(yè)區(qū)濁環(huán)水泵部分電機進行變頻改造，這樣既節(jié)水又節(jié)能。 　　陜西龍門鋼鐵集團軋鋼廠濁環(huán)系統(tǒng)及加熱爐系統(tǒng)中的高壓風機、水泵，其輸出功率不能隨生產(chǎn)負荷變化而變化，只有通過改變風門、檔板、閥門的開度來調(diào)整，這導致負載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節(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機、煤煙風機的驅(qū)動系統(tǒng)擬采用全數(shù)字交流高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)實施控制。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之間的變頻調(diào)速設備，以其現(xiàn)場改造、安裝方便以及安全、良好的運行性能正快速的替代其它調(diào)速產(chǎn)品，全面的進入到冶金行業(yè)的節(jié)能改造項目中。利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的目的是改變設備的運行速度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場工況所需風壓、風量、水泵流量的大小，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，既滿足了生產(chǎn)要求，又達到了節(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)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失，同時使維護量大大降低，為鋼鐵企業(yè)帶來了可觀的效益，切實響應了國家節(jié)能降耗的號召。

　　二、變頻調(diào)速系統(tǒng)應用方案 　　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機、煤煙風機、高線加熱爐煤煙風機、空煙風機、助燃風機上（共八臺高壓變頻器），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)場原有設備。由于負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，采用利德華福品牌完美無諧波系列高壓變頻器。該系列變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對電網(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附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、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，現(xiàn)場不需要更換電機。 　　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臺水泵和旋流井中2臺水泵、及相關(guān)管道壓力、流量、液位等的遠程/就地的自動和手動控制功能。 　　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實現(xiàn)所有水泵、壓力、流量、液位等實時數(shù)據(jù)的采集和控制等功能，并對變頻器進行實時監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。所有控制功能可以通過遠程或就地方式實現(xiàn)相關(guān)設備的自動或手動控制。PLC采集到的所有數(shù)據(jù)又可以通過網(wǎng)絡實時傳輸?shù)缴衔槐O(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)顯示、記錄、管理、打印、控制和參數(shù)調(diào)節(jié)功能。 　　整個控制系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡結(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和變頻器設備，用于實現(xiàn)PLC對變頻器實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和對變頻器的控制和調(diào)節(jié)功能。 　　現(xiàn)場控制層主要由兩種方式連接PLC和變頻器設備：Profibus DP現(xiàn)場總線和硬接線方式。 　　監(jiān)控層主要通過Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡連接PLC和濁環(huán)泵房、軋線主控室的監(jiān)控計算機，用于實現(xiàn)監(jiān)控計算機對現(xiàn)場所有設備及儀表數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)視、記錄、管理、報警；對所有設備的實時遠程自動控制、調(diào)節(jié)等功能。 　　由于濁環(huán)泵房和軋線主控室距離較遠，因此，采用多模光纖以太網(wǎng)交換機設備用于連接所有監(jiān)控計算機。 　　2.2.3控制模式 　　為了保證控制系統(tǒng)的正常、可靠運行，控制系統(tǒng)采用多種控制模式實現(xiàn)對現(xiàn)場水泵的實時監(jiān)視和控制功能： 　　●遠程自動：通過上位計算機實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的實時數(shù)據(jù)采集和自動控制、調(diào)節(jié)等功能； 　　●遠程手動：通過上位計算機實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的實時數(shù)據(jù)采集和手動控制、調(diào)節(jié)等功能； 　　●變頻器手動：變頻器上提供了操作面板可以實現(xiàn)對水泵的現(xiàn)場手動控制、調(diào)節(jié)等功能； 　　●就地手動：通過變頻器控制柜的手動控制按鈕可以實現(xiàn)對水泵的現(xiàn)場手動控制、調(diào)節(jié)等功能； 　　2.2.4profibus DP控制方式 　　Profibus DP現(xiàn)場總線：PLC和變頻器之間采用Profibus DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)實時的數(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)信息實時傳輸?shù)絇LC和上位監(jiān)控計算機，并將上位計算機或PLC下發(fā)的控制和調(diào)節(jié)指令實時傳送到變頻器，實現(xiàn)對現(xiàn)場變頻器的所有控制功能。 　　利德華福變頻器兼容實現(xiàn)Profibus DP通訊協(xié)議，只要將Profibus DP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界面中簡單的參數(shù)設置便可以實現(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Profibus DP總線發(fā)生故障時，依然可以通過硬接線方式實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的所有監(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) 變頻器待機狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。 　　(2) 變頻器運行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運行。 　　(3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠程控制；節(jié)點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)生報警信號。 　　(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) 高壓緊急分斷：變頻器出現(xiàn)重故障時，自動分斷進線高壓開關(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) 電機在工頻旁路：表示電動機處于工頻旁路狀態(tài)。 　　以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。 　　B、DCS提供給變頻器的開關(guān)量有4路： 　　(1) 啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。 　　(2) 停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。 　　(3) 高壓就緒：干接點，高壓開關(guān)處于分斷時，輔助節(jié)點打開，變頻器輸入已帶電，變頻器可以啟動。 　　(4) 高壓開關(guān)分閘信號：高壓開關(guān)處于分斷時，輔助節(jié)點閉合；1個。 　　C、變頻器提供的模擬量2路： 　　(1) 變頻器輸出轉(zhuǎn)速 　　(2) 變頻器電機電流 　　變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為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對應轉(zhuǎn)速低高限，須呈線性關(guān)系。 　　2.3 柜體安裝 　　(1) 變頻器設備安裝時，應考慮通風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1000 mm的距離，方便安裝調(diào)試及維護人員通過。 　　(2) 所有柜體應牢固安裝于基座之上，并和廠房大地可靠連接。接地端子PE也應接至廠房大地。各柜體之間應相互連接成為一個整體。 　　(3)高壓變頻器采用一拖一系統(tǒng)， 　　無旁路柜，外形尺寸完全相同，如下圖：

　　圖4 變頻器安裝尺寸圖

　　2.4 散熱方案 　　2.4.1散熱方案的對比介紹 　　高壓變頻器屬于大型電子設備，在運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機將熱量帶到變頻器本體之外，由于這部分熱量絕對值較大，一般達到幾十kW左右，如果不采取措施妥善處理，可能會使變頻器運行環(huán)境溫度過高，影響變頻器的正常運行。 目前常見的解決辦法主要有三個： 　　1）風道開放式冷卻 　　安裝風罩收集變頻器排出的熱風，通過風道將熱風直接排放到變頻器安裝的環(huán)境以外，優(yōu)點是施工方便，造價低；缺點運行穩(wěn)定性依賴于當?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)點是施工方便，維護量低，使變頻器的運行環(huán)境良好；缺點是前期費用投入較高，長期運行耗能高； 　　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)點是可以利用現(xiàn)場已有的資源（現(xiàn)場的冷卻水），設備運營成本是同等熱交換功率空調(diào)的1/3-1/4，運行維護費用低，使變頻器的運行環(huán)境良好；缺點是前期費用投入高，安裝調(diào)試相對復雜。 　　綜合比較以上三種方案，應該說各有其優(yōu)缺點，用戶一般會根據(jù)自身的特點和要求選擇最適合自身條件的方案來實行。 　　2.4.2 符合現(xiàn)場實際情況的高效散熱方案 　　按照高壓變頻器運行效率96％進行計算：變頻器的最大散熱功率為：變頻額定功率?4％。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，綜合冷卻系統(tǒng)的投資和運營成本，現(xiàn)提出下面的冷卻方案： 　　1） 風道開放式冷卻 　　(1) 冷卻過程 　　冷風經(jīng)變頻室入口濾網(wǎng)進入變頻器，經(jīng)過對機體進行冷卻后，再由變頻器風道出風口將熱風排出。 　　(2) 安裝方式 　　風道開放式冷卻施工比較簡單，變頻器的熱風通過風罩進行采集，只需在現(xiàn)場制作風道，利用風道將熱風排出室外；變頻室的墻壁上另外開兩個口，安裝上濾網(wǎng)，作為進風孔。如下圖所示：

圖5 變頻器風道冷卻安裝圖

　　根據(jù)現(xiàn)場實際情況實際空間各變頻器布置如下： 　　兩臺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 單臺變頻器一個房間并列圖

　　棒材廠旋流池系統(tǒng)三臺高壓水泵電機（315kV/10kV）需要變頻改造兩臺水泵，一臺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)另一臺電機；棒線加熱爐煤煙風機、空煙風機；高線加熱爐風機、煤煙引風機、空煙引風機，總共六臺設備布置在一間新建（新建變頻器房間基礎高度在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、應用效果分析 　　由于現(xiàn)場運行中負載調(diào)節(jié)頻率較高，根據(jù)同工況經(jīng)驗值與現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)計算所得以下數(shù)據(jù)。 　　3.1 工頻狀態(tài)下的耗電量計算　

　　3.2變頻狀態(tài)下的年耗電量計算 　對于普通風機、水泵負載，變頻狀態(tài)下的計算如下：

　　3.3節(jié)能計算 　　年節(jié)電量：ΔC= Cd－Cb …⑨ 　　節(jié)電率=（ΔC/Cd）?100% …⑩ 　　變頻改造后，根據(jù)公式⑨⑩，計算出單臺負載上變頻后與工頻相比每年的節(jié)電情況如下：

　　注：1)、以上計算均屬于理論計算值，存在?3%的偏差； 　　　　2）、設備年運行時間按照8000小時計算。 　　四、應用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效益 　　4.1 維護量減少 　　采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(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)的應用主要是為了降低電機的轉(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應地延長了許多零部件的壽命；同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護開支，節(jié)約大量維護費用。 　　4.2 工作強度降低 　　由于調(diào)速系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)設備與備用設備之間實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖控制，機組實現(xiàn)自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證4.3 減少了對電網(wǎng)的沖擊 　　采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。