羅克韋爾/A*B中壓變頻器在唐鋼中厚板軋鋼除鱗水泵改造中的應用與節能

王 超

（唐鋼中厚板材有限公司，河北 唐山 063610）

1 概述

軋鋼工藝簡述：煉鋼輸送過來的鋼坯被推鋼機推入軋鋼加熱爐中，加熱爐將鋼坯加熱到一定溫度（800-1000℃），滿足軋制要求后，出鋼機將鋼坯運出至輥道，鋼坯隨輥道轉動運行至軋機進行軋制。鋼坯在加熱爐內被加熱時，表面在高溫狀態下被氧化，形成一層致密的氧化鐵皮（鱗皮）。為保證成品鋼材質量，需要在軋機軋制前將鋼坯表面鱗皮狀雜質處理干凈。

高壓水（除鱗水）就是用來處理鋼坯表面雜質的。高壓水泵產生的高壓水（16～21MPa）進入噴嘴，在噴嘴的作用下，高壓水形成一個具有很大沖擊力的水束射向鋼坯，將鋼坯表面的氧化鐵皮除去。軋制不同的板材，要求除鱗水的壓力和用量也不盡相同，這就需要用到液力耦合器來改變水泵轉速達到供水要求。

2 液力耦合器

2.1 液力耦合器的組成和工作原理

液力耦合器是一種液力傳動裝置，是利用液體的動能來傳遞功率的一種液壓傳動裝置，其結構主要由殼體、泵輪、渦輪3個部分組成。液力耦合器的輸入軸與電動機聯在一起，隨電動機的轉動而轉動，是液力耦合器的主動部分。渦輪和輸出軸連接在一起（輸出軸和水泵連在一起），是液力耦合器的從動部分，帶動水泵轉動。

液力耦合器是通過控制工作腔內工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉速的，電動機通過液力耦合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力耦合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和水泵，這樣，可以通過控制工作腔內的油壓來控制輸出軸的力矩，達到控制負載的轉速的目地。因此，液力耦合器可以在電機恒速運轉情況下實現負載轉速無級調節。在變頻器未應用以前，液力耦合器是一種理想的交流電機調速方式。

2.2 液力耦合器的特點

結構簡單，操作方便，

2.3 性能指標

價格便宜，對精度要求低，能量轉換效率低，結構簡單，故障率低，運行時需加專用的冷卻系統，液壓油老化后定時更換。

3 羅克韋爾/A*B變頻器改造方案

唐鋼中厚板軋鋼車間高壓水除鱗以前用的就是液力耦合器調速，運行中發現有如下問題：

軋制不同的鋼種，需要除鱗水提供不同的壓力和流量，就需要我們經常調整液力耦合器進油量，來調整供水泵的轉速達到生產需要。在實際生產操作中比較繁瑣；液力耦合器在長時間的運行后，在高速轉動時有時會發生抖動現象，致使耦合器的軸瓦溫度升高很快很高，若不及時發現會讓耦合器軸瓦燒毀，而影響生產；長時間運行還會使耦合器軸瓦密封遭到破壞，致使耦合器漏油，影響環境；經過一段使用時間后維護費用較高；液力耦合在低速運行時產生機械損耗和轉差損耗較大，效率較低，造成電能浪費；液力耦合器損壞后檢修較為繁瑣，維修周期較長，維修完畢后安裝時較為困難。

針對以上這些問題我公司對液力耦合器進行了改造，選用了羅克韋爾/A*B中壓變頻器（PowerFlex7000）代替液力耦合器。

3.1 改造過程

將液力耦合器拆除，基礎重新更改合適后，將水泵直接與電機連接（中間增加個連接軸）。高壓開關柜出線接到A*B變頻器進線柜，然后將變頻器出線接至電機即可。

3.2 變頻器與液力耦合器比較

PowerFlex7000變頻器，主要特點可靠性高，輸入輸出波形好，維護方便，故障率低，普通電機無需改動。

變頻器通過DP總線連接至西門子S7-300PLC，泵體速度可由操作人員在電腦WINCC畫面上按照軋鋼工藝要求更改，節省人力，非常方便。

沒有了液力耦合器，不會產生因液力耦合器故障而產生的事故時間，提高了軋鋼效率。

變頻器的效率大大提高，節約相當可觀的費用。

4 節能與計算

高壓變頻器效率高，轉差損耗小，其效率達0.95以上，并且不隨調速的范圍而變化。液力耦合器效率低，其效率與調速比成正比，負載的轉速越低，其效率就越低。液力耦合器低速時效率低，主要是由耦合器帶動水泵轉動時產生的轉差率大造成的；能量損失是由耦合器帶動工作油轉動產生，部分轉變為工作油的熱量，部分轉變為工作油的動能而流出。圖1所示為變頻器和液力耦合器的效率曲線。

圖1 兩種調速方式效率曲線

液力耦合器從電動機輸出軸取的機械能，通過液力變速后送入負載，其效率不可能為1；變頻器從電網取的電能，通過逆變后送入電動機電樞， 其效率也不可能是1。在全轉速范圍內，變頻器的效率變化不大，變頻器在輸出低轉速下降時效率仍然較高，例如：100%轉速時效率97%，75%轉速時效率大于95%，20%轉速時效率大于90%；液力耦合器的效率基本上與轉速成正比，隨著輸出轉速的降低，效率基本上成正比下降。例如：100%轉速時效率95%，75%轉速時效率約72%，20%轉速時效率約19%。

節能計算改造后，查得變頻器的低頻轉速下的參數如下：N=1300r/min，P1=160kW，cos?=0.63，η=94%.，求得電機軸輸出功率為Pz=150KW。

由以上數據，反過來推導在使用液力耦合器時，水泵轉速在N=1300r/min時液力耦合器的輸入功率P1’，在水泵轉速1300r/min時，液力偶軸輸出功率也為150kW，由圖中知道液力耦合器的效率為47%，求得液力耦合器的輸入功率為150kW/47%=320kW。所以在低頻時候變頻器比耦合器節能為320kW-150kW=170kW。

在高頻時，變頻器的效率和液力耦合器的效率相差不是很大，所以節能效果不是很明顯。

通過現場觀察和計算，變頻器在低頻運行時，所占時間的比為68%。變頻器每天運行24h，每年運行320d。每年節能為320×24×68%×170kW=887808kW。

一年所節省的電費為（0.5元/kWh）：718080×0.5元=443904元

5 結語

綜上所述，本文對高壓變頻器和液力耦合器的優缺點進行了分析，及其在水泵調速節能運行應用中的比較得出：高壓變頻器在技術和經濟等方面都是優越的、先進的。變頻器和液力耦合器相比，不僅技術先進，而且節能可觀。雖然高壓變頻器的改造投資較大，但它的綜合經濟效益優于液力耦合器，它不僅是水泵調速節能的發展方向，而且也符合國家政策的規定，是值得推廣的節能的先進技術。

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