基于變頻器一拖二的汽化冷卻系統節能改造

摘 要:本文介紹了由變頻/工頻、西門子s7-400PLC、工控機InTouch畫面控制的承鋼100噸轉爐汽化冷卻系統節能改造。通過節能技術改造，使原來的各臺備用水泵在不增加變頻器的情況下改為變頻控制，改造過程中更改了控制線路、修改了西門子PLC程序以及InTouch畫面，經過調試后投入運行的系統達到了顯著的節能效果并改善了運行質量。

關鍵詞:變頻器一拖二節能STEP7程序InTouch畫面

中圖分類號:TM921文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0020-02

前言

煉鋼一廠100t轉爐本體系統中，轉爐傾動、氧槍提升、鋼包車、電動振料電機都應用了變頻器，且備用電機也均用變頻器控制，所用變頻器為安川G7系列和F7系列，這些變頻器設備在運行過程中性能相當穩定，為節約電能做出了巨大貢獻。

在100t轉爐的汽化冷卻系統中，每座轉爐均應用著低壓循環泵、中壓泵、給水泵，且均為一用一備。在變頻器改造初期，為了節約設備成本，備用泵均設計為工頻驅動，工頻啟動和制動電機不但使電機的使用壽命降低，而且造成電能的嚴重浪費，同時會對電網造成嚴重的沖擊。所以，其各臺備用泵的控制方式還有很大的優化改進潛力。本次改造為變頻器一拖二控制，將原備用泵電機整合進變頻控制，不增加變頻器成本，又達到了節能效果。

1 變頻器節能效果分析

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數、過流/過壓/過載保護等功能。

1.1 變頻器在水泵中的應用

變頻器節能主要表現在對風機、水泵的控制應用上。在水泵系統設計中，水泵電機的裝機容量是取系統最大負荷再增加10%～20%余量來選定電機容量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。泵類設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的閥門開度來調節水流量，大量的能源消耗在閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。

1.2 變頻器節能原理與效果計算

泵是一種平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，揚程H及泵的軸功率N的關系如下式所示:

Q1=Q2(n1/n2)

H1=H2(n12/n22)

N1=N2(n13/n23)(1)

上式表明，泵的流量與其轉速成正比，泵的揚程與其轉速的平方成正比，泵的軸功率與其轉速的立方成正比。當電動機驅動泵時，電動機的軸功率P(kw)可按下式計算:

P=ρQH/ηcηF×10-2 (2)

式中:P:電動機的軸功率(kW);Q:流量(m3/s);ρ:液體的密度(kg/m3);ηc:傳動裝置效率;ηF:泵的效率;H:全揚程(m)。

異步電動機轉速即泵的轉速，其計算公式如下:

n=60f/p(1-s)(3)

式中:n:轉速 f:頻率 p:電機磁極對數 s:轉差率。

通過調節變頻器輸出頻率來調節電機轉速，即可調節水流量，降低頻率可使電機的功率大為減少，能夠顯著節約電能。

1.3 變頻和工頻驅動的功率比較

汽化冷卻系統水泵共計18臺，其中中壓循環泵、給水泵、低壓循環泵各六臺，三臺現用，三臺備用，備用泵均為工頻驅動。改造的初步設計為用現用的一臺變頻器帶兩臺水泵電機(一用一備)，改變原來的備用電機工頻驅動為變頻驅動，使系統在現用水泵故障改投備用水泵時仍能變頻控制，節能降耗。現以改造完成并投入使用的1#轉爐的兩臺中壓循環泵為例來分析闡述。

兩臺中壓泵電機型號相同，容量均為110kw，額定電流為227A，變頻驅動電機在煉鋼吹煉期間運行在45Hz左右，非煉鋼期間為25Hz來保證冷卻水的循環。根據計算公式(1-1)計算，電機在25Hz時的功率為13.75kw，在45Hz時的功率為80.19kw，均比工頻額定功率110kw有顯著的節能效果。由于吹煉期和非吹煉期比例大致為1∶2(不包括爐役和檢修時間)，按設計年轉爐有效作業天數298天，備用泵投入時間比例為30%計算，備用泵工頻運行耗電23.60萬kWh，改變頻后耗電僅為7.71萬kWh，僅此一臺電機的改造年節約電能達15.89萬kWh。

由于兩臺電機和水泵型號相同，改用變頻后的水流量和揚程均能達到工藝要求，而且此改造不用增加變頻器，故此改造為較完善的高效節能方案。

2 系統改造

此次改造實施難度不高，無需購置變頻器，原有的電氣器件都得到了充分利用，改造費用低，改造過程沒有復雜的外部控制電路設計，變頻器控制參數無需更改，只需將PLC程序和InTouch控制畫面進行修改。

2.1 變頻器控制及輸出原理圖

變頻器原輸出隔離斷路器拆除，換接一個雙投刀閘隔離開關，開關接兩臺水泵電機，兩臺互為備用。2#泵原來的工頻控制線路保留，作為應急控制電路。變頻器控制線路的接線不用更改，相應的控制更改PLC程序即可實現。

其中1#電機接有輸出電抗器，鑒于電抗器安裝位置的限制和控制要求，2#水泵電機不接入其電抗器下口，原1#水泵電機的熱繼電器拆除，保留單相電流互感器，使其繼續作為2#泵InTouch畫面的電流顯示數據，以便應急工頻使用時也能顯示電流。控制原理圖如圖1所示。

2.2 PLC程序和InTouch畫面的修改

改變頻控制后，相應的PLC程序和控制畫面也做了合適的修改。程序的修改主要是將1#泵(原變頻控制泵)的運行輸出信號作為變頻控制信號，2#泵原工頻程序保留不變，作為2#泵應急控制程序。

修改后的InTouch畫面中壓泵控制畫面和2#泵應急控制彈出畫面如圖2所示。

在控制畫面中點擊水泵圖標即出現相應的變頻操作畫面，需要倒泵操作時須電氣人員在配電控制柜倒雙投刀閘配合操作。

3 改造投入運行后的效果

此次變頻器節能改造，以極低的改造費用實現了備用中壓循環泵的變頻控制，實現了低頻、低電流的軟啟動，使設備的機械沖擊力顯著降低，也避免了電機啟動時對電網的沖擊影響，實現了備用電機的平滑調速功能，提高了設備的工藝性能。1#爐中壓泵于2011年1月在轉爐檢修期間完成并投入運行，在運行的3個多月的時間里，只進行日常的設備檢查，未發生過設備故障，有效降低了水泵電機故障停機率和維修費用。

備用水泵電機處于節能狀態運行，F7變頻器可監測其輸出功率(U1-08)，通過運行時在線監測，25Hz時輸出功率14.21kw，45Hz時功率76.86kw，跟之前的預算相差不大，通過計算，改變頻后一臺備用中壓泵年耗電量實為7.53萬kWh，較改造前的工頻驅動年節約電能16.07萬kWh，超過了預期，節能顯著效果。

4 結語

將汽化冷卻系統水泵全部進行變頻器一拖二改造完成后，給公司帶來巨大的經濟效益，同時，煉鋼廠100t轉爐系統45kw以上的電機將進入全變頻時代！

基于國內大部分傳統鋼鐵企業的現狀，煉鋼汽化冷卻系統水泵備用泵為工頻驅動，使得此改造方案在其他鋼鐵企業在變頻器的使用上具有很好的借鑒價值和推廣價值。

參考文獻

[1]姚厚偉.變頻器在供水系統中的節能與應用.節能技術，1999.

[2]李關飛.變頻器在恒壓供水控制系統中的應用.變頻器世界，2007.

[3]孔亮.基于PLC的變頻器一拖四供水控制系統應用.可編程控制器與工廠自動化，2007，10.