一、軋鋼工藝水系統及加熱爐簡介

軋鋼廠生產用水均采用循環用水系統，循環水系統共分為三個部分，即加熱爐、凈環、濁環水系統。從工藝上講軋鋼工序整個循環水系統按用水后水質的情況可分為凈環系統和濁環系統兩大部分。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，水質未被污染，屬凈環系統；軋機的冷卻方式為直接冷卻,使用后的水不僅水溫升高，水質已被氧化鐵皮及油類等污染，屬濁環系統，其中沖洗氧化鐵皮用水屬該系統中的小循環系統，該用水僅對水壓有要求。

圖1 軋鋼工序水循環流程示意圖

軋鋼濁環水系統用水量是變量，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穩定，造成能源浪費。因此需對軋鋼水處理作業區濁環水泵部分電機進行變頻改造，這樣既節水又節能。

陜西龍門鋼鐵集團軋鋼廠濁環系統及加熱爐系統中的高壓風機、水泵，其輸出功率不能隨生產負荷變化而變化，只有通過改變風門、檔板、閥門的開度來調整，這導致負載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節流損失中。

為了提高棒材水系統與軋鋼加熱爐系統的生產效率、降低能耗以及系統的綜合可靠性，旋流池水系統棒材廠、線材廠高壓水泵與軋鋼加熱爐空煙風機、煤煙風機的驅動系統擬采用全數字交流高壓變頻調速系統實施控制。高壓變頻調速系統是直接串聯于高壓電源與高壓電機之間的變頻調速設備，以其現場改造、安裝方便以及安全、良好的運行性能正快速的替代其它調速產品，全面的進入到冶金行業的節能改造項目中。利用高壓變頻調速技術的目的是改變設備的運行速度，以實現調節現場工況所需風壓、風量、水泵流量的大小，大大提高了系統的自動化程度，既滿足了生產要求，又達到了節約電能，并且減少了因調節擋板、閥門而造成擋板和管道的磨損以及因經常停機檢修所造成的經濟損失，同時使維護量大大降低，為鋼鐵企業帶來了可觀的效益，切實響應了國家節能降耗的號召。

二、變頻調速系統應用方案

本次改造主要涉及以下幾方面：系統主回路控制方案、變頻器系統控制方案、現場安裝、及變頻器的散熱方案。相關系統介紹如下：

2.1 系統主回路控制方案

針對棒材廠旋流池水系統高壓水泵、凈環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 變頻調速系統主回路

注：QF1、M為現場原有設備。由于負載都有備用所以采用一拖一不帶旁路控制系統，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變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、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，現場不需要更換電機。

2.2 變頻器控制系統

該控制系統主要用于控制濁環泵房9臺水泵和旋流井中2臺水泵、及相關管道壓力、流量、液位等的遠程/就地的自動和手動控制功能。

2.2.1控制系統架構圖

圖3 控制系統結構圖

2.2.2控制系統簡介

該控制系統主要由施耐德PLC實現所有水泵、壓力、流量、液位等實時數據的采集和控制等功能，并對變頻器進行實時監視、控制和調節。所有控制功能可以通過遠程或就地方式實現相關設備的自動或手動控制。PLC采集到的所有數據又可以通過網絡實時傳輸到上位監控計算機進行數據顯示、記錄、管理、打印、控制和參數調節功能。

整個控制系統由兩層網絡結構組成：現場控制層和監控層。

現場控制層主要用于連接PLC和變頻器設備，用于實現PLC對變頻器實時運行狀態數據的采集和對變頻器的控制和調節功能。

現場控制層主要由兩種方式連接PLC和變頻器設備：Profibus DP現場總線和硬接線方式。

監控層主要通過Modbus TCP/IP工業以太網網絡連接PLC和濁環泵房、軋線主控室的監控計算機，用于實現監控計算機對現場所有設備及儀表數據的實時采集、監視、記錄、管理、報警；對所有設備的實時遠程自動控制、調節等功能。

由于濁環泵房和軋線主控室距離較遠，因此，采用多模光纖以太網交換機設備用于連接所有監控計算機。

2.2.3控制模式

為了保證控制系統的正常、可靠運行，控制系統采用多種控制模式實現對現場水泵的實時監視和控制功能：

● 遠程自動：通過上位計算機實現對現場設備的實時數據采集和自動控制、調節等功能；

?● 遠程手動：通過上位計算機實現對現場設備的實時數據采集和手動控制、調節等功能；

?● 變頻器手動：變頻器上提供了操作面板可以實現對水泵的現場手動控制、調節等功能；

?● 就地手動：通過變頻器控制柜的手動控制按鈕可以實現對水泵的現場手動控制、調節等功能；

2.2.4profibus DP控制方式

Profibus DP現場總線：PLC和變頻器之間采用Profibus DP現場總線實現實時的數據交換功能。該方式可以通過現場總線將變頻器的所有相關狀態信息實時傳輸到PLC和上位監控計算機，并將上位計算機或PLC下發的控制和調節指令實時傳送到變頻器，實現對現場變頻器的所有控制功能。

利德華福變頻器兼容實現Profibus DP通訊協議，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設置便可以實現正常通訊。

2.2.5硬接線控制方式

硬接線方式：該方式是ProfibusDP現場總線的備用方式，如果Profibus DP總線發生故障時，依然可以通過硬接線方式實現對現場設備的所有監視和控制功能。

高壓變頻器和現場DCS控制系統硬接線連接的接口如下：

A、變頻器提供的開關量輸出8路：

(1) 變頻器待機狀態指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。

(2) 變頻器運行狀態指示：表示變頻器正在運行。

(3) 變頻器控制狀態指示：節點閉合表示變頻器控制權為現場遠程控制；節點斷開表示變頻器控制權為本地變頻器控制。

(4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產生報警信號。

(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發生重故障，立即關斷輸出切斷高壓。

(6) 高壓緊急分斷：變頻器出現重故障時，自動分斷進線高壓開關。

(7) 高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統處于工頻狀態，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。

以上所有數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，高壓開關處于分斷時，輔助節點打開，變頻器輸入已帶電，變頻器可以啟動。

(4) 高壓開關分閘信號：高壓開關處于分斷時，輔助節點閉合；1個。

C、變頻器提供的模擬量2路：

(1) 變頻器輸出轉速

(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) 變頻器轉速給定值

現場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應轉速低高限，須呈線性關系。

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，裝置側面離墻必須保留不小于1000 mm的距離，方便安裝調試及維護人員通過。

(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，

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境以外，優點是施工方便，造價低；缺點運行穩定性依賴于當地環境；

2）空調式密閉冷卻

在安裝變頻器的房間內安裝空調，利用空調將環境溫度降下來，優點是施工方便，維護量低，使變頻器的運行環境良好；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，其作用與空調類似，優點是可以利用現場已有的資源（現場的冷卻水），設備運營成本是同等熱交換功率空調的1/3-1/4，運行維護費用低，使變頻器的運行環境良好；缺點是前期費用投入高，安裝調試相對復雜。

綜合比較以上三種方案，應該說各有其優缺點，用戶一般會根據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％。根據現場的實際情況，綜合冷卻系統的投資和運營成本，現提出下面的冷卻方案： 

1） 風道開放式冷卻

(1) 冷卻過程

冷風經變頻室入口濾網進入變頻器，經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，作為進風孔。如下圖所示：

圖5 變頻器風道冷卻安裝圖

根據現場實際情況實際空間各變頻器布置如下：

兩臺280kW/10kV凈環水泵,擬采用一套高壓變頻器，變頻器房間建在凈環水泵后面空地處，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。

棒材廠旋流池凈環水系統另一臺電機；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左右有室內電纜溝）,變頻器室如下圖：

圖7 變頻器室內布置圖

三、應用效果分析

由于現場運行中負載調節頻率較高，根據同工況經驗值與現場采集的數據計算所得以下數據。

3.1 工頻狀態下的耗電量計算

Pd：電動機功率 ；Cd：年耗電量值 ； U：電動機輸入電壓 ；I：電動機輸入電流 ； ：功率因子； T：年運行時間； ：單負荷運行時間百分比

電機耗電功率計算公式：

累計年耗電量公式：

根據計算公式①②，通過計算可得出工頻情況下單臺各負載的耗電量如下：

對于普通風機、水泵負載，變頻狀態下的計算如下：

 ：電動機軸功率 ；  ：風機（泵）軸功率 ； ：電動機效率 ；

 ：變頻器實際效率 ；Q：風機（泵）出口流量 ；H：風機（泵）出、入口壓力差，：管網特性系數。

由軸功率： ，

代入風機（泵）的額定值，得出其管網特性系數 。

將風機（泵）在不同負載下的 、壓力、流量值分別代入上式，可以求得軸功率。

電動機效率與電動機負荷率之間的關系如下圖一所示。

變頻器效率與系統負荷率之間的關系如下圖二所示。

綜合考慮到電動機效率和變頻器的效率

則網側消耗功率：

累計年耗電量公式：

根據計算公式，通過計算可得出變頻情況下單臺各負載的耗電量如下：

3.3節能計算

年節電量：

節電率=

變頻改造后，根據公式⑨⑩，計算出單臺負載上變頻后與工頻相比每年的節電情況如下：

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、應用高壓變頻調速系統產生的其他效益

4.1 維護量減少

采用變頻調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速使系統在接近額定狀態下工作，通常情況下，變頻調速系統的應用主要是為了降低電機的轉速。由于啟動緩慢及轉速的降低，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，節約大量維護費用。

4.2 工作強度降低

由于調速系統在運轉設備與備用設備之間實現計算機聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉變為監控，完全實現生產的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證4.3 減少了對電網的沖擊

采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。